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干式冷风切削技术在车、铣高效加工中应用探讨

  当前,国内外金属切削加工行业,围绕提高切削效率、延长刀具使用寿命的研究课题,大致从以下四个方面展开:一是研究刀具材料,二是研究刀具结构,三是研究刀具几何角度和切削用量的合理选择(特别是高速切削技术的采用),四是研究刀具表面处理新技术的开发。这四方面的工作,都的确能有效地提高刀具的切削效率和使用寿命,但是,降低刀具切削温升,减小刀具磨损和切削力,同样是切削过程中必须研究和探讨的重要课题。

  数控化缩短了机床的调整时间,机床和刀具制造技术的进步,换来了加工效率的迅速提高,也产生出大量的切屑、散发出更大的热量;此时,若仍按传统方法:加大切削剂用量,就会给环境造成更大伤害。传统切削剂中含有大量硫、磷、氯等物质,这些有害液体的随意排放,挥发到空气中,对操作人员的身体健康带来很大危害。同时,加工时的飞溅、升腾、泄漏等现象时时发生,它将影响到饮用水源、土地和空气,破坏生态环境。长期以来,使用切削剂,造成能源的大量消耗、给企业增添的负担,人们早已用生产成本概念予以解释。

  为了解决上述问题,各国政府都加大了切削液污染的监管力度,并相继出台非常严格的切削废液管理、限制及处罚措施。特别是ISO14000环境标准和ISO16000健康标准通告执行以后,企业面对环保的压力更大,使得因切削剂产生的成本在逐年上升。图1为加工中心的成本构成此例,图中可见,油剂己占机床运行成本的15%~30%。为此,研究新的刀具冷却、润滑方式;实施少用或不用切削剂的干式、半干式加工方法就成为改善环境、提高切削效率和刀具使用寿命的又一前沿技术。目前,这种技术已成为数控化后,金属切削加工业面临的主要研究课题。其中:冷风切削技术是半干式切削加工技术中的一种,是MQL(微量润滑)切削技术的延伸,为了迅速推广应用这一技术,最近,结合生产,我们对冷风切削技术在车、铣削加工中的效果进行了生产验证。

  冷风切削加工系统的简单工作原理和设计方案是:让低温冷风射流机生成的低温冷风(-30℃~50℃ )混入非常微量的植物油,并喷射到切削点,对刀具的前、后刀面实施冷却、润滑和排屑以降低切削温升。该系统主要由:空气压缩机、低温冷风射流机、微量油雾化器、喷射器、刀具等机构组成。图2为冷风车削加工装置的系统简图。如图所示,由空气压缩机产生的气流,经尘埃分离器清除微离子,再经空气干燥器下降至露点,进入空气冷却装置冷却后,从上下两个方向喷向刀具前、后面的切削点。

  1.主管路过滤器 2.冷冻式空气干燥器 3.无热空气干操器 4.灰尘分离器 5.溢流阀 6.压缩机 7.自动排浅 8.冷凝器 9.压缩机 10.车刀 11.气液热交换器

  汽轮机叶片型面铣削加工,原来都在普通铣床上进行,采用的高速钢立铣刀、球头铣刀在油冷状态下,切削速度仅为30~4Om/min ,切削效率很低。后进行技术改造后,加工设备几乎都更换成数控铣床,为此,绝大部分刀具也选用可高速切削的硬质合金可转位铣刀,由于高速切削时切削温度快速提升,这就给原来采用的油冷带来了大量的烟雾,这些呛人的烟雾,不但影响了视线、加工环境,也使操作工人无法进行正常切削加工。如将切削速度减小,则将使切削效率降低,实现不了通过机床、刀具的改进,实现高效切削的初衷。为此,工厂在每台机床旁配置了抽烟机,但在高速切削情况下,油烟仍无法很快消除。在铣削加工时,为保证刀具能正常进行高速切削,我们试验应用了冷风切削技术。

  为了验证冷风切削技术在生产实践中的应用效果,结合生产,我们进行了大量油剂冷却铣削加工与低温冷风加工工艺的对比试验。试验时发现,车间提供的压缩源气压严重不足,达不到CTL-2/50型冷风射流机的工作压力0.4~0.8Mpa,但仍然进行了加工。结果是:在高速切削条件下(切削速度在18Om/min) ,使用大量油剂铣削不锈钢叶片一次换刀,可加工5~8件,而冷风铣削时,在工作压力不足的情况下,还是可加工8~10件,刀具使用寿命明显延长。应该相信,当气源压力得到充分保证的前题下,使用冷风切削,刀具寿命将有更进一步的延长。试验用铣刀与工件形状见图3,不同冷却方式的切削效果见表1。

  为了验证在冷风作用下,内、外冷却车刀的切削性能,我们制作了专用的内冷车刀(见图4)。它能通过设于车刀刀体内部的管道,把冷风输送到刀头附近的上、下两个出口,喷向刀片前、后刀面,并与普通车刀(标准型可转位上压式结构)用两根管道以外冷却方式加工(结构见图4)和传统喷雾冷却切削方式进行了对比。其结果是:同样在后刀面磨损到0.3mm时,用传统喷雾冷却切削,刀具切削行程仅为24mm (按工件加工宽度测量);使用冷风,从外部上、下两个方向喷向刀片前、后刀面的刀具切削行程达到58mm ,刀具寿命延长了1倍;但是,当使用冷风,用内冷却车刀切削时,在转速、走刀量和背吃刀量都作了相应提高的情况下,刀具切削行程可高达111mm ;这充分体现了,在冷风作用下,使用内冷车刀的优势。三种冷却方式的切削效果见表2,车刀结构简图见图4。

  从上述加工实例,可以认为:在车、铣加工过程中,使用低温冷风的初步应用效果是良好和显著的。特别是,针对难加工材料如:不锈钢和高温合金等的铣削、车削具有实用性。

  在满足冷风射流机基本工作条件下,冷风切削技术比传统油剂(水剂)切削技术的刀具使用寿命长。

  冷风切削时,内冷却方式比外冷却方式的效果好,突出表现在刀具使用寿命的提高方面。

  在车、铣过程中,考虑到切削点的温度降低,因此,可以适当增大了切削用量;由于刀具使用寿命延长,节省了调整工位所需的辅助时间,加工效率有显著的提高。

  对精加工高温合金材料的工件表面粗糙度进行了实测,可稳定地达到Ra2.05~Ra2.5m ,

  由于以气代油,无呛人的烟雾,环境清洁,对身体无害,有利操作,还提高了效率,操作工人非常欢迎。

  低温冷风切削技术的应用实践证明,它能提高切削效率、延长刀具寿命延长、降低能耗和加工成本。首先,工厂是最大的受益者,其次,由于工作环境的改善、加工效率的提高,带来收入增加,工人也乐于接受,社会意义就更为深远。综上所述,我们认为:这项技术能够满足用现代工艺技术改造传统设备的要求,应该有广阔的应用前景,但我们试验应用冷风切削技术的时间尚短,因此结论也是初步的,该技术要适应于大切削用量的粗加工,刀具结构(特别是内冷结构)和切削参数等合理选择,还有待进一步实验、探讨。