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機床行業(yè)新聞
低溫切削加工有何優(yōu)勢?用于低溫切削的制冷方法主要有低溫風(fēng)冷、液氮冷卻和電子冷凍等。今天先介紹一下大家近期比較關(guān)注的液氮冷卻低溫切削加工技術(shù);
所謂液氮冷卻就是利用液氮進行低溫切削加工,即利用液氮使工件、刀具或切削區(qū)處于低溫冷卻狀態(tài)進行切削加工的方法。氮氣是大氣中含量最多的成分,液氮作為制氧工業(yè)的副產(chǎn)品來源十分廣闊。使用液氮作為切削液,應(yīng)用后直接揮發(fā)成氣體返回到大氣中,沒有任何污染物,從環(huán)保方面看是一種有前途的切削掖替代品。
即將液氮作為切削液直接噴射到切削區(qū)。一般來說由于刀具磨損嚴重,金剛石刀具不能用來加工黑色金屬。而美國一學(xué)者采用液氮冷卻系統(tǒng)對不銹鋼用金剛石刀具進行車削加工,由于低溫抑制了碳原子的擴散和石墨化,大大減少了刀具磨損,并取得了極好的加工質(zhì)量。
主要是刀具冷卻法,即在加工中不斷地冷卻刀具,使切削熱快速從刀具特別是刀尖處被帶走,刀尖始終保持在低溫狀態(tài)下工作。美國林肯大學(xué)學(xué)者利用一種配備新型冷卻系統(tǒng)的刀具進行了試驗研究。這種刀具是在車刀上部的方盒內(nèi)儲存液氮,由進口輸人,從出口流出。試驗表明使用液氮冷卻時車刀壽命提高數(shù)倍,磨損降低1/4并可獲得較低的表面粗糙度。
采用液氮作為冷卻劑這本身并不是一個新的創(chuàng)意,但目前的這項專利技術(shù)與以前的各種冷卻方法完全不同。液氮冷卻的其他應(yīng)用方式通常是將整個低溫切削加工工作區(qū)完全浸沒在液氮中,或者通過一個外部噴嘴向工作區(qū)進行液氮噴霧。
目前的冷卻方法可以最貼切地表述為最小量低溫切削。該方法讓液氮以較低的速度流過主軸和刀具的內(nèi)冷卻通道,與最小量潤滑的情況比較類似。但不同的是這樣做的目的不是潤滑是冷卻,而且是極度深冷。
液氮冷卻超低溫切削技術(shù)的推出,可以實現(xiàn)通過主軸中心和刀柄中心在刀片切削刃部的微孔中釋放出液氮,刀具切削產(chǎn)生的熱量被液氮氣化(液氮的沸點為-320℃)的瞬間帶走,尤其是在超硬材料加工和復(fù)合材料加工上會有更好的效果,切削速度可以大大提高,刀具壽命也可以大大延長。
在低溫切削加工系統(tǒng)中,溫度為-196℃的液氮通過主軸、刀柄和刀體內(nèi)部的管道流動,然后通過在切削刀片中用放電加工方式加工的出口,到達距剪切面不到1mm處。
在低溫切削加工系統(tǒng)中,液態(tài)二氧化碳和液氮可以作為有效的冷卻劑。以前的低溫切削加工系統(tǒng)都是通過管道將超冷液體從外部引到刀具或工件介面處,為了在切削難加工材料時提高切削速度和延長刀具壽命;
液氮冷卻超低溫切削加工技術(shù)發(fā)明人介紹:在低溫切削加工系統(tǒng)中,溫度為-196℃的液氮通過主軸、刀柄和刀體內(nèi)部的管道流動,然后通過在切削刀片中用放電加工方式加工的出口,到達距剪切面不到1mm處。低溫冷卻液對切削時產(chǎn)生的高溫具有超強冷卻能力,可以防止切削熱傳入刀具切削刃。
他補充說主軸內(nèi)采用真空管道來絕熱,刀柄和刀體中的管道則采用了一種導(dǎo)熱率極低的材料。到達切削點時,最初加注的液氮仍有近50%保持液態(tài)。在將切削熱從刀具/工件介面處帶走后,原來的液體變?yōu)闅怏w(其中包含80%的氮氣)散入周圍的空氣中。為了防止局部區(qū)域氮氣濃度過高,使氧氣含量減少,采用了多個感測器監(jiān)測周圍空氣中的氮氣含量,如果發(fā)現(xiàn)環(huán)境空氣品質(zhì)不安全,則會暫時關(guān)閉液氮流。
氮冷卻超低溫切削加工技術(shù)發(fā)明人估計:在低溫切削加工和鏜削時,每個切削刃每分鐘大約要消耗0.04升冷卻劑;而在低溫鉆削和攻絲中,冷卻劑的消耗量要少一些,因為加工時刀具被包圍在工件內(nèi)。
內(nèi)冷卻低溫加工還可以與外部供液的最小量潤滑技術(shù)合并使用,以減小刀具的摩擦與粘附。這是因為低溫加工的目標(biāo)是減小由切削熱引起的刀具磨損,但并不能起到潤滑作用,因此需要借助于潤滑技術(shù)。潤滑可以有效防止因刀具過熱和軟化而造成的磨損加快。
盡管這種低溫切削加工仍然處于開發(fā)過程中,但據(jù)發(fā)明人介紹:應(yīng)用該技術(shù)銑削蠕墨鑄鐵時可使硬質(zhì)合金刀具的切削速度提高60%,使聚晶金剛石刀具的切削速度提高3倍。通過外加潤滑,可使硬質(zhì)合金刀具的切削速度提高到原來的3倍,但PCD刀具的切削速度在已提高3倍的基礎(chǔ)上未見再提高。這些切削試驗重點關(guān)注切削速度的提高,而刀具壽命則保持在與采用常規(guī)冷卻液時相同的水準(zhǔn)上。
液氮冷卻超低溫切削加工技術(shù)發(fā)明人指出:在使用潤滑時,PCD刀具的切削速度沒有進一步提高的原因在于,與硬質(zhì)合金相比,PCD這種超硬材料更不容易磨損,而且能更有效地傳熱。當(dāng)以大約100m/min的切削速度加工有色金屬材料時,切削熱通常會使PCD分解為碳并失效。在低溫加工中,金剛石在更高的切削速度下仍能保持其性能穩(wěn)定。
除了蠕墨鑄鐵以外潤滑還對鈦合金和不銹鋼進行了低溫加工試驗。后在航空制造業(yè)將會有大規(guī)模的資金投入。作為使用越來越多的航空材料,鈦合金不僅切削性不好,而且傳熱性也很差,但我們用低溫技術(shù)加工獲得了非常不錯的結(jié)果。
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