刀具高压冷却液直喷系统介绍分析

    众所周知，使用冷却液是为了散热和增加润滑（减少摩擦）。一般情况下，冷却液只简单地浇注到加工区域。为真正发挥冷却液效用，快速带走切削区的热量，精确地将高压冷却液流直接喷向所需的区域更为有效。金属切削过程中的冷却挑战是在加工过程中，冷却液应用与生产率要求间存在交汇点，其中最突出的例子来自航空航天材料，如加工钛合金Ti6Al-4V。Ti6Al-4V有较低的热传导性和较小的弹性模量，特别适于制造喷气发动机上高强度、耐热且轻质的部件。然而，由于能采用的切削速度通常很低，切屑难以控制，且切削刀具的寿命相对较短，无法折断的长切屑还会导致切屑堵塞、后续的刀具失效，因而加工成本极高，最糟糕的是甚至会损坏昂贵的部件。此外，切屑还会影响表面粗糙度，使零件报废。
   
    在金属切削过程中所产生的如同鸟巢般盘根错节的切屑会造成生产率严重下降，使机床几乎不可能在熄灯操作中无看管地运行。当使用刀杆或刀架进行加工时，若传统的冷却液喷嘴不靠近切削刃，那这个缺点就更为明显。
   
    尽管目前高压系统已有显著改善，但多数制造商仍然使用浇注式冷却系统，即将大量冷却液直接浇在切削刀具和所加工零件上以散热。由于灵活的冷却液喷嘴经常移动，导致冷却液不能精确地喷向切削区。另外，此类系统还缺乏适当的压力控制。
   
    由于冷却液只是冲洗切削区，某个区域会因局部加热而形成一道蒸气隔离层，该蒸气层随后会隔离切削区并阻止其散热。高压冷却系统却不同，能迅速散热，且有足够压力阻止这类蒸气隔离层的形成，因此能轻松应对这种情况。
   
    刀具的高压冷却液输送系统间也存在差异，其中一个最常见的差异是系统与切削区的距离，或系统冷却液喷嘴与工件/切削刀具接触面的距离。有些系统喷嘴与切削区的距离太远，因此冷却液无法有效、准确地到达切削区的最佳位置，导致无法获得最大效益；若装有冷却液喷嘴的系统与切削区的距离较远，则必须使用更大的压力以弥补距离的不足。如果系统的冷却液喷嘴离切削区太远，可能需要增加泵的数量，但这样一来成本显然更高，因此选择使喷嘴更靠近切削区的系统。当冷却液流入刀杆然后穿过导流器时，使用山高刀具的JetstreamTooling飞流系统，可使冷却液喷嘴非常贴近切削区，在机床标准冷却液泵产生的压力下获得更好的效果，无需使用更多高压泵。
   
    高压直喷冷却液优点
   
    为克服现有冷却液输送系统的缺点，刀具冷却液输送系统开发商（如山高）一直致力于优化系统性能，主要通过提高冷却液流喷向切削区的压力和精确度来实现系统优化。有些系统（如山高JetstreamTooling飞流刀具系统）非常巧妙地在刀夹的旋转顶部压块（导流器）中放置了冷却通道，冷却液压力、流量和通道的小孔径均可促使猛烈的高速冷却液流轻松穿透，并润滑紧靠切削刃后方的主要发热区域。
   
    我们发现，在非常靠近切削刃的位置放置一个冷却液“楔块”可以获得最佳效果。这意味着系统喷嘴将冷却液喷流置于刀片前刀面切削区和切屑之间，有助于提升并折断切屑。最新一代JetstreamTooling飞流刀具系统非常适合车削、割槽和切断加工，它为刀杆提供两个冷却液出口，一个直接朝向前刀面，另一个朝向刀片后刀面（即第二发热区）。位于下方的冷却液出口可为切削刃下方区域提供最佳冷却，直接朝向刀片后刀面的冷却液出口是额外提供的，可使刀具寿命延长10%，并改善表面粗糙度。
   
    当刀具冷却液输送系统提供出色的冷却和优化的切屑控制时，制造商可以实现持续运转，并实现无故障、无人值守的加工。同样，还能提高车削速度和进给量，延长切削刀具寿命，改善零件的表面粗糙度，这些都归功于先进的切屑控制。在某些情况下，车削速度和进给量可以提升一倍甚至两倍，刀具寿命也可延长一倍。这样，制造商能够以更快的速度加工更多部件，从而提高生产率和盈利。
   
    山高在实验室对钛合金工件进行了测试，采用一般冷却液冷却时，切削速度为40m/min（130ft/min），进给量为0.25mm/rev（0.01ipr），切削深度为2mm（0.08in），加工节拍为5min。将高压冷却液输送系统应用于该加工时，测试结果发现，可提高切削速度至80m/min（260ft/min），加工节拍减半，且刀具寿命延长一倍。
   
    目前机床冷却液泵通常可提供20bar（290psi）至70bar（1000psi）的压力，此压力范围足够用于刀具的高压冷却液输送系统，如山高JetstreamTooling飞流刀具系统。该系统兼具多种功能，在同一系统内操作压力既可低至5bar（70psi）（可能会影响生产率），也可高达70bar（1000psi），甚至达到350bar（5000psi）的超高压。当压力在20bar（290psi）—40bar（580psi）之间时，使用山高JetstreamTooling飞流刀具可显著提高生产率，能改善多种应用和不同工件材料的切屑控制，并且其性能随压力和流量（l/min）的增大而增强。70bar（1000psi）的压力足够折断长切屑型粘性材料最难处理的切屑。
   
    高压直喷冷却液应用
   
    高压冷却液可为车削、切断和割槽加工带来更多益处。在这类加工中，切削刃与零件的接触时间通常只有几秒种或稍长时间，且被定义为“连续切削”。连续切削会在切削区产生高温，因此，切削参数必须进行适当调整以防止发生快速的后刀面磨损和塑性变形。若对较粘的延展性材料进行连续切削加工，会产生较长且无法控制的切屑，这是非常糟糕的情况。
   
    很多行业可受益于高压冷却液，而传统的发电、航空航天及医疗行业早已顺应潮流，因为它们的特殊材料需要严格控制切屑的形成，所以已率先使用高压冷却液。例如，航空航天和医疗常用的钛合金是一种导热性极差的材料，会使切削区持续保持高温，并可能导致冷焊、擦伤和污损现象，进而快速破坏刀具的切削刃。更糟糕的是，加工钛合金会产生纤薄的高速切屑，不但难以折断成合适的长度，还会带走切削区的冷却液，使零件表面受到热损伤。
   
    具有较大正前角和锋利切削刃的传统刀具可以最大程度地降低钛合金加工产生的不良影响，但必须使用高压冷却液输送系统来控制切屑，并优化整体加工操作。多项大学实验和研究已证实，切屑通过切削刃时会迅速降温，并产生一种硬化作用，类似于对一块金属热工件进行快速淬火操作，从而增加钛合金切屑的硬度。在直喷射流、楔效应、冷却液对切屑的压力以及增加硬度的共同作用下，切屑会断开成为细小、易控的碎片。
   
    总之，若要切削任何富于挑战性的工件材料，使用冷却液能达到更好的效果。高压冷却液输送系统的最佳加工改进方案已运用到当前许多特殊材料应用中，如钛合金、镍基和钴基合金，包括NimonicC263、Inconel718、Udimet720和Waspaloy，这些材料具有极强的粘性和延展性，因此需要使用高压冷却液输送系统来获得高水平的切屑控制。在刀具的高压冷却液输送系统使用方面，难加工合金并非是唯一显示出成效的材料，在汽车、造船、核能、食品和饮料行业通常需要使用可加工性相当低的粘性长切屑材料。通过采用高压冷却液输送系统，在奥氏体不锈钢、双相不锈钢、低碳钢及铝合金加工过程中均显著提高了金属切除率，使切削参数、切屑控制和表面粗糙度得到改善，减少了生产时间。
   
    由于山高JetstreamTooling飞流刀具系统解决了排屑问题，因此无需操作员干预就可实现持续无中断的生产过程，排屑时间不再纳入工序时间的计算。此外，山高系统的冷却液导流器枢轴允许机床操作员快速更换新切削刃，确保冷却液始终处于准确位置。
   
    冷却方式选择
   
    值得注意的是，有些车削加工可能更适合干式切削，而不适用于浇注或高压直喷冷却液。例如，需要进行间歇或断续切削的应用通常会产生热冲击，由于冷却液会进一步扩大热冲击的负面影响，因此干式切削的效果更佳。在这类情况下，高压冷却液解决方案或许可以避免冷却液应用的负面影响。
   
    一般而言，在连续切削应用中使用冷却液的效果更佳。但若涉及环境问题、开放式结构车床或某些类型的钢材，在车削加工中采用干式切削能获得良好的效果。山高的DuratomicCVD双面王镀层刀片具有出色的耐热性能，是这类应用的理想选择。但是，若使用干式切削，难以进行割槽和切断等加工，其主要原因是切屑积聚，所以在这样的加工中，采用冷却液（确切而言是高压直喷冷却液）可显著改善其性能。
   
    精加工通常也需要使用冷却液，否则车间可能会出现部件精度和表面粗糙度质量问题。尽管在大多数车间中，有高达80%的加工采用冷却液，但有些车间出于环保考虑，所有加工均采用干式切削。为此，需要密切监控并调整机床产生的热量，并保持控制以确保部件尺寸的精度和表面粗糙度。这无疑是极大的挑战，因此需要考虑其他在当前条件下完全可行的解决方案。与使用冷却液加工相比，干式切削加工的生产率明显较低，且刀具寿命较短。
   
    理想的冷却液系统
   
    在考虑购买刀具的高压冷却液输送系统时，制造商不仅应评估其性能，还要考虑其多功能性和简易性，以确保高压冷却液输送系统适用于机床的整个冷却液压力范围。此外，系统还应当便于装配和安装。
   
    理想的系统应可以为车削或割槽刀杆提供内冷和外冷两种选择。对于外冷方式，这类系统（如山高的刀柄系统）可以采用位于刀杆侧面或底部的软管。制造商可获得多种软管组件，以便于将冷却液供给管轻松地连接至机床转台或刀架的任意位置。如果用户不再需要使用该系统，也可轻松移除，机床将恢复到原来的冷却液设置。对于内冷方式，该系统的刀柄设有内冷通道，如山高Capto刀柄就配有锥形接口以供应冷却液。
   
    结论
   
    无论采用哪种类型的冷却液系统，要实现有效的切屑控制、延长刀具寿命和提高产量，关键在于以下两点：首先，使冷却液流尽可能靠近切削区；其次，将冷却液直接喷射到切削区的正确位置。山高JetstreamTooling飞流刀杆可有效降低每个零件的成本，与节约的资金相比，其购买成本仅占机床整体投入的极小部分。虽然低压冷却液系统以及刀具的价格略低，但考虑到切屑积聚会导致机床停机，进而造成刀具使用寿命缩短和生产损失，其节约的资金无疑是微不足道的。