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高速切削中的冷卻與潤滑技術
發表時間：2015-05-07 14:01:59【小中大】
在高速切削過程中，刀/工摩擦接觸區的高溫、高壓、高頻沖擊等對刀具性能提出了嚴峻考驗。尤其在高速切削具有高硬、高強、耐高溫特性的難加工材料時，由于高切削溫度和摩擦導致刀具急劇磨損往往是制約高速切削應用的約定性因素。因此，加工中良好的冷卻和潤滑是難加工材料高速切削對切削介質的關鍵條件。雖然濕式切削具有較好的冷卻與潤滑性能，但在高速切削時往往會加大銑刀刃在切入切出過程的溫度變化，產生熱疲勞，降低刀具壽命和可靠性，此外還有環境污染等問題。在不使用切削液的條件下通過優化刀具材料與結構能在一定程度上提高難加工材料的加工效率，然而切削液的冷卻、潤滑、排屑等功能無法彌補，可能嚴重影響加工質量、切削效率和刀具壽命。如何選用合理有效的冷卻潤滑方式，以改善刀/工摩擦狀態和抑制刀具磨損，從而提高加工質量和加工效率，是推廣應用高速切削技術時必須考慮的重要技術要素。
高速切削對切削介質的性能要求
切削介質冷卻性能的好壞，首先取決于切削介質自身的性質，如導熱系數、比熱容、汽化熱、汽化速度等，其次取決于切削介質的作用方式，如噴射流量、噴射速度、噴射角度及噴射靶距等因素。氣體介質的冷卻性能遠低于液體介質，但高速切削也要考慮過度冷卻帶來的刀具熱疲勞失效問題，以及如何使切削介質進入刀/屑/界面和刀/工界面有效冷卻等問題。一般濕式切削由于切削介質進入問題和強烈的熱沖擊，刀具磨損往往會加劇，故高速切削難加工材料多采用低溫風冷、低溫微量潤滑等干式、準干式切削方式。
多數情況下采用切削介質的主要目的，是利用該介質的減摩潤滑性能，以改善刀具/工件接觸區的摩擦接觸狀況，從而提高刀具的使用壽命。不同換熱系數下采用WC-Co硬質合金高速正交切削TC4鈦合金時的刀具前刀面擴散分布曲線。由于換熱系數的改變對刀具前刀面平均溫度有一定的影響，但對于切屑形成以及刀具前刀面的很高溫度(靠近切削刃口處)幾乎沒有影響。因此，在距離刃口附近很高溫度區域的擴散磨損變化不大，中間部位的擴散磨損隨換熱系數的提高而降低。在距離刃口較遠處，切削溫度值相對較低，對刀具的擴散磨損影響較小。不同摩擦系數條件下采用WC-Co硬質合金高速正交切削TC4鈦合金時的前刀面擴散磨損率的仿真分布曲線，距離切削刃口處的切削溫度很高，處于粘結接觸窗口內部(Sticking Window)而受摩擦系數變化的影響較小，因此，在靠近切削刃口處，刀具的擴散磨損率變化不大，但是滑動接觸窗口區域隨著摩擦系數的增加，切削溫度相應增加較為明顯，從而刀具擴散磨損率也相應較大。比較可見提高潤滑性能對改善刀具擴散磨損比冷卻的作用更明顯。
高速切削排屑問題將會對刀具的切削性能、加工表面質量等產生一定的影響。因此，高速切削要求切削介質要具有一定的排屑作用。一般通過高速、高壓、大流量的射流沖擊直接將切屑吹離刀具和加工區。
切削介質的綠色性能要求介質具有環境友好性，減少污染物的排放。對人體造成主要危害的是油霧中的可吸入顆粒物(PM10，空氣動力學直徑≤10μm的顆粒)。通常，顆粒直徑越小，進入人體呼吸系統的部位也越深，對人體的危害也越大。一般情況下，空氣動力學直徑≥10μm的顆粒物大部分會被阻擋在鼻腔外，不會進入人體，而直徑≤10μm的可吸入顆粒物則能順利進入呼吸系統并會在人體內沉積，對人體造成長期的危害。因此，對于可能產生油霧的冷卻潤滑方式，必須控制介質成分、油霧濃度及顆粒度大小，避免對生產現場人員的傷害。目前，在歐洲已開始禁用礦物基油作為切削介質用油。
低溫微量潤滑技術及應用
低溫微量潤滑技術是將低溫風冷切削技術與微量潤滑技術有機結合起來的一種新型的高速切削加工冷卻潤滑技術，既充分利用低溫冷風的冷卻效果，又充分利用微量潤滑的減摩潤滑效果。采用低溫微量潤滑技術輔助切削時，通過低溫制冷設備將空氣、氮氣或其他氣體預先冷卻至-30℃左右，然后將低溫氣體通過微量潤滑裝置，在噴嘴處形成低溫微量油霧(油氣)，以高壓、高速形式噴射到切削區，以實現刀/工接觸區的冷卻潤滑，改善切削區條件。低溫微量潤滑切削技術，是從優質、、經濟以及的角度出發，將高速切削技術和綠色加工相結合，在真正可持續發展的意義上發展的一種新的先進制造技術。切削環境空氣質量試驗研究證實，封閉式加工系統中低溫MQL、常溫MQL以及冷卻液澆注下的機床外部工作場所環境油霧濃度均保持在較低的水平，達到標準。而低溫MQL能夠有效抑制潤滑油的霧化和細顆粒油霧的生成率，相比常溫MQL更加和。
不同冷卻潤滑條件下高速車削Inconel718時刀尖磨損隨切削時間的變化曲線。從中可以看出，低溫MQL切削時刀尖磨損慢，低溫風冷和低溫MQL時的刀具壽命較干切削分別提高了78%和124%。冷卻潤滑條件對KC5010硬質合金刀具高速車削Inconel718時的表面粗糙度，可見低溫MQL切削也可降低工件表面粗糙度值。
不同冷卻潤滑條件下高速銑削鈦合金刀具磨損隨銑削時間的變化曲線。從中可以看出，在圖示切削用量條件下，-10℃低溫風冷和-20℃低溫風冷條件下后刀面磨損狀況略好于干銑削，而應用低溫MQL可以有效改善刀/工接觸區的摩擦潤滑狀況，顯著提高刀具的使用壽命。冷卻潤滑條件對高速銑削鈦合金TC4時銑削側面粗糙度的影響。從中可以看出，低溫風冷時表面粗糙度與干銑削時相當，而低溫MQL可明顯改善已加工表面粗糙度。
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