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潤(rùn)滑油常見(jiàn)問(wèn)題高速切削中的冷卻與潤(rùn)滑技術(shù)
發(fā)表時(shí)間：2015-05-07 14:01:59【小中大】
在高速切削過(guò)程中，刀/工摩擦接觸區(qū)的高溫、高壓、高頻沖擊等對(duì)刀具性能提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。尤其在高速切削具有高硬、高強(qiáng)、耐高溫特性的難加工材料時(shí)，由于高切削溫度和摩擦導(dǎo)致刀具急劇磨損往往是制約高速切削應(yīng)用的約定性因素。因此，加工中良好的冷卻和潤(rùn)滑是難加工材料高速切削對(duì)切削介質(zhì)的關(guān)鍵條件。雖然濕式切削具有較好的冷卻與潤(rùn)滑性能，但在高速切削時(shí)往往會(huì)加大銑刀刃在切入切出過(guò)程的溫度變化，產(chǎn)生熱疲勞，降低刀具壽命和可靠性，此外還有環(huán)境污染等問(wèn)題。在不使用切削液的條件下通過(guò)優(yōu)化刀具材料與結(jié)構(gòu)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(rùn)滑、排屑等功能無(wú)法彌補(bǔ)，可能?chē)?yán)重影響加工質(zhì)量、切削效率和刀具壽命。如何選用合理有效的冷卻潤(rùn)滑方式，以改善刀/工摩擦狀態(tài)和抑制刀具磨損，從而提高加工質(zhì)量和加工效率，是推廣應(yīng)用高速切削技術(shù)時(shí)必須考慮的重要技術(shù)要素。
高速切削對(duì)切削介質(zhì)的性能要求
切削介質(zhì)冷卻性能的好壞，首先取決于切削介質(zhì)自身的性質(zhì)，如導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、汽化熱、汽化速度等，其次取決于切削介質(zhì)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(zhì)的冷卻性能遠(yuǎn)低于液體介質(zhì)，但高速切削也要考慮過(guò)度冷卻帶來(lái)的刀具熱疲勞失效問(wèn)題，以及如何使切削介質(zhì)進(jìn)入刀/屑/界面和刀/工界面有效冷卻等問(wèn)題。一般濕式切削由于切削介質(zhì)進(jìn)入問(wèn)題和強(qiáng)烈的熱沖擊，刀具磨損往往會(huì)加劇，故高速切削難加工材料多采用低溫風(fēng)冷、低溫微量潤(rùn)滑等干式、準(zhǔn)干式切削方式。
多數(shù)情況下采用切削介質(zhì)的主要目的，是利用該介質(zhì)的減摩潤(rùn)滑性能，以改善刀具/工件接觸區(qū)的摩擦接觸狀況，從而提高刀具的使用壽命。不同換熱系數(shù)下采用WC-Co硬質(zhì)合金高速正交切削TC4鈦合金時(shí)的刀具前刀面擴(kuò)散分布曲線。由于換熱系數(shù)的改變對(duì)刀具前刀面平均溫度有一定的影響，但對(duì)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(méi)有影響。因此，在距離刃口附近很高溫度區(qū)域的擴(kuò)散磨損變化不大，中間部位的擴(kuò)散磨損隨換熱系數(shù)的提高而降低。在距離刃口較遠(yuǎn)處，切削溫度值相對(duì)較低，對(duì)刀具的擴(kuò)散磨損影響較小。不同摩擦系數(shù)條件下采用WC-Co硬質(zhì)合金高速正交切削TC4鈦合金時(shí)的前刀面擴(kuò)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(jié)接觸窗口內(nèi)部(Sticking Window)而受摩擦系數(shù)變化的影響較小，因此，在靠近切削刃口處，刀具的擴(kuò)散磨損率變化不大，但是滑動(dòng)接觸窗口區(qū)域隨著摩擦系數(shù)的增加，切削溫度相應(yīng)增加較為明顯，從而刀具擴(kuò)散磨損率也相應(yīng)較大。比較可見(jiàn)提高潤(rùn)滑性能對(duì)改善刀具擴(kuò)散磨損比冷卻的作用更明顯。
高速切削排屑問(wèn)題將會(huì)對(duì)刀具的切削性能、加工表面質(zhì)量等產(chǎn)生一定的影響。因此，高速切削要求切削介質(zhì)要具有一定的排屑作用。一般通過(guò)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(qū)。
切削介質(zhì)的綠色性能要求介質(zhì)具有環(huán)境友好性，減少污染物的排放。對(duì)人體造成主要危害的是油霧中的可吸入顆粒物(PM10，空氣動(dòng)力學(xué)直徑≤10μm的顆粒)。通常，顆粒直徑越小，進(jìn)入人體呼吸系統(tǒng)的部位也越深，對(duì)人體的危害也越大。一般情況下，空氣動(dòng)力學(xué)直徑≥10μm的顆粒物大部分會(huì)被阻擋在鼻腔外，不會(huì)進(jìn)入人體，而直徑≤10μm的可吸入顆粒物則能順利進(jìn)入呼吸系統(tǒng)并會(huì)在人體內(nèi)沉積，對(duì)人體造成長(zhǎng)期的危害。因此，對(duì)于可能產(chǎn)生油霧的冷卻潤(rùn)滑方式，必須控制介質(zhì)成分、油霧濃度及顆粒度大小，避免對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)人員的傷害。目前，在歐洲已開(kāi)始禁用礦物基油作為切削介質(zhì)用油。
低溫微量潤(rùn)滑技術(shù)及應(yīng)用
低溫微量潤(rùn)滑技術(shù)是將低溫風(fēng)冷切削技術(shù)與微量潤(rùn)滑技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)的一種新型的高速切削加工冷卻潤(rùn)滑技術(shù)，既充分利用低溫冷風(fēng)的冷卻效果，又充分利用微量潤(rùn)滑的減摩潤(rùn)滑效果。采用低溫微量潤(rùn)滑技術(shù)輔助切削時(shí)，通過(guò)低溫制冷設(shè)備將空氣、氮?dú)饣蚱渌麣怏w預(yù)先冷卻至-30℃左右，然后將低溫氣體通過(guò)微量潤(rùn)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(qū)，以實(shí)現(xiàn)刀/工接觸區(qū)的冷卻潤(rùn)滑，改善切削區(qū)條件。低溫微量潤(rùn)滑切削技術(shù)，是從優(yōu)質(zhì)、、經(jīng)濟(jì)以及的角度出發(fā)，將高速切削技術(shù)和綠色加工相結(jié)合，在真正可持續(xù)發(fā)展的意義上發(fā)展的一種新的先進(jìn)制造技術(shù)。切削環(huán)境空氣質(zhì)量試驗(yàn)研究證實(shí)，封閉式加工系統(tǒng)中低溫MQL、常溫MQL以及冷卻液澆注下的機(jī)床外部工作場(chǎng)所環(huán)境油霧濃度均保持在較低的水平，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。而低溫MQL能夠有效抑制潤(rùn)滑油的霧化和細(xì)顆粒油霧的生成率，相比常溫MQL更加和。
不同冷卻潤(rùn)滑條件下高速車(chē)削Inconel718時(shí)刀尖磨損隨切削時(shí)間的變化曲線。從中可以看出，低溫MQL切削時(shí)刀尖磨損慢，低溫風(fēng)冷和低溫MQL時(shí)的刀具壽命較干切削分別提高了78%和124%。冷卻潤(rùn)滑條件對(duì)KC5010硬質(zhì)合金刀具高速車(chē)削Inconel718時(shí)的表面粗糙度，可見(jiàn)低溫MQL切削也可降低工件表面粗糙度值。
不同冷卻潤(rùn)滑條件下高速銑削鈦合金刀具磨損隨銑削時(shí)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(fēng)冷和-20℃低溫風(fēng)冷條件下后刀面磨損狀況略好于干銑削，而應(yīng)用低溫MQL可以有效改善刀/工接觸區(qū)的摩擦潤(rùn)滑狀況，顯著提高刀具的使用壽命。冷卻潤(rùn)滑條件對(duì)高速銑削鈦合金TC4時(shí)銑削側(cè)面粗糙度的影響。從中可以看出，低溫風(fēng)冷時(shí)表面粗糙度與干銑削時(shí)相當(dāng)，而低溫MQL可明顯改善已加工表面粗糙度。
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