高壓冷卻對車加工切屑的形狀影響探究

劉 星

高壓冷卻對車加工切屑的形狀影響探究

劉 星

（沈陽新松機器人自動化股份有限公司，遼寧 沈陽 110179）

現(xiàn)代機械制造行業(yè)中，車削加工是金屬零件最主要的成型方法之一，但是在車削軸承鋼、不銹鋼等合金鋼材料時，難以斷屑是困擾各大制造企業(yè)的主要難題。針對這個難題，提出采用高壓冷卻的解決方案，通過分析切屑的成型原因及高壓冷卻對加工的影響，擬定合理的實驗方案，得出不同壓力冷卻對斷屑效果的影響報告。

車加工；斷屑；高壓冷卻

在現(xiàn)代機械制造行業(yè)中，切削加工是金屬零件最主要的成型方法之一，尤其是制造形狀復(fù)雜、成型精度要求嚴(yán)、表面質(zhì)量要求高的金屬零件時，目前使用切削加工仍是最主流的方式。而在各種切削加工過程如磨削、銑削、車削中都離不開冷卻系統(tǒng)的參與，切削加工中正確的使用冷卻系統(tǒng)能夠快速的帶走切削熱，保證切削刀具的使用壽命，同時沖走切屑，有效的提高加工效率與表面加工質(zhì)量。冷卻技術(shù)可大致分為低壓噴灑冷卻和高壓噴射冷卻兩類，其中高壓冷卻技術(shù)是目前技術(shù)切削行業(yè)技術(shù)研發(fā)的重點方向。在20世紀(jì)50年代，高壓冷卻技術(shù)開始在國外逐漸出現(xiàn)，發(fā)展到目前，憑借其對加工效率和刀具壽命等環(huán)節(jié)的顯著改善而成為金屬切削行業(yè)高水平、新技術(shù)的代表之一[1]。特別是在軸承等行業(yè)加工難斷屑材料，高壓冷卻技術(shù)被普遍認(rèn)為是能夠解決斷屑難題，徹底改善行業(yè)加工現(xiàn)狀的關(guān)鍵技術(shù)而重點關(guān)注。但是冷卻液的噴灑壓力達到什么數(shù)值時能夠?qū)嘈夹Ч斐擅黠@的影響，目前卻沒有任何機床制造廠家給出足夠詳細(xì)的數(shù)據(jù)，在實際生產(chǎn)加工中遇到斷屑效果不好的情況通常只能盲目增大壓力。本文將從切屑產(chǎn)生及成型的過程入手，對影響切屑成型的因素展開分析，找到在實際生產(chǎn)中切實可行的改善斷屑性能的參數(shù)，最后通過實驗加以驗證。

1 影響切屑成型因素的分析

車削加工是在車床上利用工件相對于刀具旋轉(zhuǎn)對工件進行切削加工的方法，產(chǎn)生切屑形狀的主要參數(shù)取決于車削三要素，即切削速度、進給量和切削深度，如圖1所示。切削速度主要與主軸的轉(zhuǎn)速有關(guān)，其影響切屑的去除效率，對切屑的截面形狀不產(chǎn)生影響。其數(shù)值的選定與刀片的材質(zhì)有關(guān)，通常刀片制造商會給出一個合適的速度范圍，已有部分資料顯示，在給定的切削速度范圍內(nèi)，改變切削速度對斷屑效果影響極小。切削深度和進給量構(gòu)成了切屑截面的主要尺寸，按傳統(tǒng)的加工經(jīng)驗，相同工件精加工時要比粗加工更難斷屑，即切屑截面尺寸較大時斷屑效果相對較好。但是進給量直接影響了加工后的表面粗糙度，生產(chǎn)中能夠應(yīng)用的改善斷屑效果的參數(shù)只有切削深度。

圖1 切屑形狀與切削三要素的關(guān)系圖

當(dāng)切屑被刀片從工件上剝離下來時，切屑主要與前刀面摩擦，其彎曲角度取決于刀片前角，顯然刀片前角越小，切屑的彎折程度越大也就越容易折斷。在加工軸承鋼、不銹鋼等韌性較強的合金鋼時多會采用負(fù)前角的刀片，但即便如此仍然難以達到理想的斷屑效果。除此之外，刀片尖端的斷屑槽也對斷屑效果有一定作用，雖然各個刀具廠家推出幾十甚至上百種不同的槽型，但究其根本均擺脫不了局部改變切屑彎折角度的本質(zhì)，宣傳的優(yōu)良斷屑效果實際犧牲了刀片壽命。根據(jù)走訪國內(nèi)部分大型加工企業(yè)，目前市場上尚未發(fā)現(xiàn)任何刀具廠家能夠在兼顧刀片壽命的前提下實現(xiàn)軸承鋼材料的良好斷屑。

冷卻系統(tǒng)的作用機理與上述的加工因素存在不同，車削過程中會產(chǎn)生大量的切削熱，大部分切削熱會被切屑帶走，冷卻系統(tǒng)將常溫的切削液潑灑在加工區(qū)域，通過熱傳導(dǎo)將切削熱帶走，快速的降低切屑的溫度，使切屑冷硬變脆，從而更易折斷[2]。過去所使用的常規(guī)冷卻方式為澆注冷卻或低壓噴灑冷卻，加工時使用水管或噴口把冷卻液大致的對準(zhǔn)刀具前端澆淋，依靠相對量大的冷卻液自行流淌到整個切削發(fā)生區(qū)域。但是在這種不夠準(zhǔn)確的低壓或無壓冷卻過程中，加工環(huán)類零件內(nèi)孔等被遮擋的加工面時，或者刀具反向走刀加工時都可能會使冷卻液被工件或刀柄遮擋，導(dǎo)致冷卻液不能順利到達刀具尖端，即便是具備較低壓力的冷卻液噴射方式也只是粗略的瞄準(zhǔn)刀具尖端，受到零件形狀或切屑的影響仍然較大，無法實現(xiàn)預(yù)期的冷卻和斷屑效果。而高壓冷卻技術(shù)是指在加工過程中，給冷卻液施加一個極大的噴射壓力，經(jīng)由特定的內(nèi)部通道和噴射孔，在刀具尖端附近把冷卻液精準(zhǔn)的噴射到切削運動的實際發(fā)生點，通過直接大量的冷卻液帶走切削熱并以足夠的沖擊力折斷切屑[3]。

隨著實驗條件的提升與實驗經(jīng)驗的增多，高壓冷卻技術(shù)能夠起到的作用在近幾年被研究的越來越明晰。在切削過程中，高壓冷卻技術(shù)比傳統(tǒng)常規(guī)冷卻技術(shù)能夠更好的降低切削熱的生成已經(jīng)是得到公認(rèn)，關(guān)于在冷卻過程中的實際作用機理也集中在研究刀具與鐵屑和刀具與工件之間的摩擦和潤滑的影響。有部分文獻顯示，和常規(guī)低壓或無壓冷卻切削相比，高壓冷卻切削能夠增大切削液的傳導(dǎo)率，使切削液更強有力的抵達切削區(qū)，加速炙熱切屑的冷卻速度，使其快速冷硬，同時施加沖擊力在切屑上增大卷曲程度，從而實現(xiàn)更好的斷屑效果。此外還減小了切屑與刀具的接觸面積，使切屑對刀具表面涂層的摩擦更小，在相同的加工過程中對刀具的磨損更小，從而提高切削刀片的使用壽命。

2 高壓冷卻技術(shù)的發(fā)展與不足

高壓冷卻技術(shù)的研究最早可追溯到20世紀(jì)50年代，有資料記載名為皮科特和科威爾的英國學(xué)者最先對這方面進行了基本研究并發(fā)現(xiàn)增加冷卻壓力可以改善切屑狀態(tài)和刀具的使用壽命。近幾十年，隨著螺桿泵等高壓水泵制造技術(shù)的成熟，促使高壓冷卻技術(shù)的相關(guān)研究得到突飛猛進的發(fā)展。以庫爾邦為首的幾位學(xué)者將高壓冷卻技術(shù)應(yīng)用在一種鉻鎳鐵合金的加工過程中，在實驗中發(fā)現(xiàn)，同常規(guī)低壓冷卻的加工方式對比，使用更高壓力和流量的高壓冷卻加工過程，刀尖切削區(qū)的溫度僅為常規(guī)冷卻時的45%左右。

在1994年，馬查多和沃爾班克在研究中得出了使用高壓冷卻時，沖擊力極大的冷卻液能夠使切屑向上的卷曲半徑減小，從而使加工時刀尖與切屑的接觸面積減少，進而降低刀具表面與切屑間的摩擦的結(jié)果。在2000年，馬祖爾基維茨在切削鋼材料的實驗中使用了高達280 MPa的冷卻壓力，同樣使用外置噴嘴的情況下，分別比對了傳統(tǒng)低壓冷卻和無冷卻切削的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)使用高壓冷卻時能有效減小鐵屑與刀片之間接觸面發(fā)生相對滑移所引起的摩擦，并減小切屑的長度，從而能適應(yīng)更高的加工參數(shù)。在2001年，布雷厄姆布什納克等人通過實驗證明了加工不銹鋼時使用較高的冷卻壓力以小流量從小冷卻孔噴出會帶來更顯著地斷屑效果，以此提高生產(chǎn)力。在2003年，謝爾特等人通過模擬實驗將冷卻液通過一個很小的噴孔從刀具尖端直接噴射與切屑的接觸點，證實了精確地控制高壓冷卻的噴射點能極大的減少切屑與刀具的接觸面積，減少切屑與刀具涂層的摩擦[4]。2018年，哈爾濱理工大學(xué)實驗室在高壓冷卻條件下進行了PCBN刀具切削鎳基高溫合金試驗，發(fā)現(xiàn)隨著切削速度、背吃刀量和進給量的增大，切屑的鋸齒化步距和鋸齒化程度增大；隨著冷卻液壓力的增大,切屑的鋸齒化程度降低，鋸齒化頻率增大；在高壓冷卻條件下斷屑能力得到了提高，并隨著壓力的增大，斷屑效果進一步提高[5]。

這些研究成果雖然證實了高壓冷卻的作用，但其采用的冷卻壓力卻僅能在實驗室實現(xiàn)，不具備市場普及型。壓力達到2 MPa的水泵價格在數(shù)千元以上，壓力達到7 MPa的螺桿泵價格更是超過萬元，更高壓力的冷卻系統(tǒng)包括水泵、管路、控制閥等零件更是需要幾十萬元一套，甚至超過了整套加工設(shè)備的價格。因此在最高7 MPa以下的壓力范圍內(nèi)尋找合適的冷卻方式才更具備推廣意義。

目前多數(shù)車床設(shè)備的冷卻系統(tǒng)終端是若干個冷卻管，或在刀塔上鉆有幾個冷卻噴孔，雖然可以對準(zhǔn)加工區(qū)域，但切削液離開噴口后飛射的幾厘米距離就會造成壓力的明顯下降。為保證冷卻壓力能夠良好的傳遞到切削區(qū)，應(yīng)采用內(nèi)冷式刀具，即冷卻液接入刀具內(nèi)部，通過刀具尖端的小孔噴射而出，直接沖擊刀尖切削區(qū)。

3 高壓冷卻下的切削實驗

切削零件：深溝球軸承外圈；

試件材料：GCr15；

套圈尺寸：外徑160 mm，寬度30 mm；

加工設(shè)備：沈陽機床i5T3.3數(shù)控車床；

切削部位：精車外圓及外側(cè)圓角；

精度要求：尺寸精度±0.02 mm，表面粗糙度Ra0.8；

切削刀桿：山特維克內(nèi)冷刀桿PDJNL2525M15HP；

切削刀具：山特維克硬質(zhì)合金涂層刀片DNMG150608-SF。

本次高壓冷卻下的車削實驗主要針對精車時的斷屑情況。為保證實驗后的結(jié)論可以應(yīng)用于實際的生產(chǎn)過程，精車過程中的單側(cè)切深需控制在合理以內(nèi)，以便不影響加工后的尺寸精度。過大的切深帶來更大的切削力，軸承套圈屬于環(huán)狀零件，極易發(fā)生加工變形，精車時單側(cè)切深通常不大于0.8 mm。過小的切深會使切除量不夠穩(wěn)定，甚至發(fā)生讓刀現(xiàn)象，精車時單側(cè)切深需要大于0.15 mm。本次實驗中將單側(cè)切深按0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 mm分為6組。

除加工精度外也要滿足加工后的粗糙度要求，加工后的粗糙度是刀片的刀尖圓角與進給速度共同影響的結(jié)果。刀尖圓角越小，刀具就越鋒利，斷屑效果也越好，所以精加工時使用的刀具通常刀尖圓角都小于粗加工時。但實現(xiàn)相同的粗糙度，刀尖圓角越小進給速度就越慢，加工時間就越長，且刀尖圓角小的刀具使用壽命也越短。按照國內(nèi)幾大軸承制造企業(yè)的生產(chǎn)工藝，在兼顧壽命與使用效果后，本次實驗中選取的刀片刀尖圓角為R0.8。根據(jù)車削經(jīng)驗實現(xiàn)粗糙度Ra0.8需要采用低于0.15 mm/r的進給速度，為保證較高的加工效率，本次實驗進給速度取要求范圍內(nèi)的最大值，即0.15 mm/r。切削速度根據(jù)所選刀片的推薦值取200 m/min。

作為對照實驗，在相同加工條件及參數(shù)下，使用常規(guī)低壓冷卻（0.1 MPa）方式，按6組不同切深進行加工，其結(jié)果全部不能斷屑，對照組加工后粗糙度在Ra0.8～Ra0.85之間。高壓冷卻下，逐漸增加壓力，記錄的部分實驗結(jié)果如表1所示。

表1 高壓冷卻斷屑實驗部分?jǐn)?shù)據(jù)

序號冷卻壓強/MPa切深/mm切屑狀態(tài)加工后粗糙度 130.2不斷屑Ra0.70 230.3不斷屑Ra0.72 330.4不斷屑Ra0.71 430.5不斷屑Ra0.72 530.6不斷屑Ra0.73 630.7不斷屑Ra0.72 750.220 cm中長屑Ra0.71 850.330 cm長屑Ra0.73 950.4不斷屑Ra0.69 1050.5不斷屑Ra0.70 1150.620 cm中長屑Ra0.72 1250.720 cm中長屑Ra0.72 1370.25 cm短屑Ra0.71 1470.310 cm中短屑Ra0.73 1570.420 cm中長屑Ra0.69 1670.530 cm長屑Ra0.73 1770.65 cm短屑Ra0.72 1870.7碎屑Ra0.72

當(dāng)冷卻壓力小于5 MPa時，6組切深參數(shù)下的斷屑效果均為發(fā)生明顯改變；當(dāng)冷卻壓力達到5 MPa時，最大和最小切深參數(shù)組先開始出現(xiàn)明顯斷屑效果；當(dāng)冷卻壓力達到7 MPa時，6組切深參數(shù)下均達到明顯斷屑效果。增大冷卻壓力可對加工后的粗糙度帶來明顯改善，達到3 MPa后繼續(xù)提升冷卻壓力加工粗糙度不再提升。

4 結(jié)論

在使用高壓冷卻的車床加工情況，斷屑效果大體趨勢仍然符合切屑截面尺寸越大越容易斷屑的特性，越大的冷卻壓力帶來的斷屑效果越明顯。但是在切屑截面尺寸小于某個數(shù)值時，高壓冷卻帶來的斷屑效果出現(xiàn)了反向提升，其可能的原因應(yīng)該是切削液的沖擊力使切屑的彎曲達到了某個臨界值，這里有待下一步加以研究驗證。更高的冷卻壓力可以使切削液更快速的到達切削區(qū)域，從而使加工后的粗糙度得到提高，但是冷卻壓力達到3 MPa后，其改善效果達到極限，繼續(xù)提高壓力加工后粗糙度不再提高。

總的來說，在冷卻方式及切削參數(shù)選擇合理的情況下，冷卻壓力至少需要5 MPa以上的壓力才能明顯改善斷屑效果，同時可以提高一定的加工質(zhì)量。對于實際生產(chǎn)過程，采用7 MPa以下壓力實現(xiàn)斷屑效果的提升具備推廣的可行性。

[1] 吳玉華. 金屬切削加工技術(shù)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1998.

[2] 冼健. 高壓冷卻技術(shù)在現(xiàn)代加工領(lǐng)域的優(yōu)勢[J]. 黑龍江科技信息, 2013(22): 103-103.

[3] 三特維克可樂滿. 高壓冷卻(HPC)用于加工航空材料[J].工具技術(shù), 2009, 43(9): 9-10

[4] 鄭永純. 難加工材料高壓冷卻切削性能及試驗研究[D].哈爾濱: 哈爾濱理工大學(xué), 2015.

[5] 吳明陽, 于永新, 程耀楠, 等. 高壓冷卻下鋸齒形切屑幾何表征試驗[J]. 中國機械工程, 2019, 30(1): 38-45.

Influence of High Pressure Cooling on Turning Chips

LIU Xing

（Shenyang Xinsong Robot Automation Co., Ltd. Shenyang 110179, China）

Turning is one of the most important forming methods for metal parts in the modern machinery manufacturing industry. However, when turning bearing steel and stainless steel alloy steel materials, it is difficult to break the chip, which is the main problem that troubles the major manufacturing enterprises. To solve this problem, this paper analyzes the reasons for chip formation and the impact of high pressure cooling on processing, and proposes a solution using high pressure cooling, and draws a report on the impact of different pressure cooling on the chip breaking.

turning; chip breaking; high pressure cooling

TH161

A

1674-3261(2021)04-0241-04

10.15916/j.issn1674-3261.2021.04.007

2021-04-07

劉星(1989-)，男，遼寧錦州人，工程師，碩士。

責(zé)任編校：劉亞兵