高压冷却（HPC）技术在航空材料加工中的应用

作者：山特维克可乐满 史莉

欢迎访问e展厅 展厅 1 车刀/镗刀展厅 车刀, 槽刀, 切断刀, 倒角刀, 镗刀, ... 加工航空零件时所用冷却液的角色正在经历一定程度的演变。加工车间多年来的做法是：直接将冷却液冲向加工区域，特别是对于需要使用冷却液加工的材料。现在，高压冷却技术可将冷却液精准地导向加工区域，能够获得一些新的益处。随着与之配套的全新刀具概念的推出，高压冷却技术已经在很多现代化的数控机床上广泛使用。 与众不同 如果要在现代加工中有效地应用冷却液，并表现出与众不同的效果，就需要更多地使用高压喷射冷却，其流量必须足够大，射流方向也要正确。仅仅只采用一条冷却液流或将冷却液浇向加工区域的做法已经无法满足需要。此外，与常规冷却相比，合理运用高压冷却（HPC）会在以下方面有显著区别：①切屑形成；②切削热的分布；③工件材料在切削刃上优良的粘结性；④表面完整性；⑤刀具磨损。 通过不断改进以下目标从而提升竞争力，这些基本的加工因素也相应地影响着制造结果：①生产效率；②刀具寿命；③切屑控制和排屑；④零件加工质量。 HPC在一般的加工，特别是在加工不锈钢和低碳钢时效果不错，不过对难加工材料（如钛合金和耐热超级合金）的加工表现出了更惊人的结果。近期有关HPC的大量研发使其更易使用，也更为诱人。 Jetbreak系统引领着创新概念 在上个世纪80年代到90年代，山特维克可乐满开发了第一款高压冷却液系统Jetbreak。研究表明，对可加工性和切屑控制方面要求苛刻的难加工材料来说，高达100—1000巴的超高压、方向精确的冷却液射流已经成为切削刀具的一部分。冷却液射流迫使其进入切屑和切削刃之间并同时形成一个液压楔，这样就缩短了切屑和切削刃的接触长度，从而降低了加工区域的温度。另外一个有趣的效果是冷却液喷射流会影响切屑的卷曲，从而改善了切屑控制，某些情况下还会导致断屑。 通过应用一些相应的非标刀具，Jetbreak已成为可加工性差和/或断屑困难材料的理想解决方案。冷却液压力的分布以及冷却液喷嘴的尺寸会对加工结果产生很大的影响。通过变化不同的射流参数，可获得不同的卷屑效果，有可能把带状屑导至所需的方向甚至改善切屑的长度。Jetbreak已经有了少量的实际应用，以解决石油、航空航天和滚动轴承行业中遇到的问题。但是，Jetbreak需要配备专用的非标刀柄，主要在立式车床上使用。 标准的HPC系统 许多现代机床带有标配或选配的压力为70到100巴的冷却系统，这足以使用HPC系统，可获得杰出的性能和加工结果。这样HPC也能更广泛地用于加工中心、车削中心、立式车床和多任务机床。标准设备足以提供通向射流应用区域的冷却液通道。 高压冷却液加工的一个重要基础是模块化刀具，它不仅通过快速换刀在一定程度上确保机床停机损失最小，而且提供了将冷却液从机床可靠有效地引向切削刃的通道。模块式快换刀具系统可乐满Capto是Jetbreak和新型标准高压冷却刀具CoroTurn HP的开发基础。本系统是理想的模块式平台，其设计采用了内冷却，也能适用于高压冷却。可乐满Capto已经成为ISO标准，被许多刀具固定和/或刀具旋转的数控机床所选用。 用于HPC的铣刀带有内冷通道，并可根据刀具类型和适用的应用场合配备相应的喷嘴。冷却液通道与机床或其它泵相连，以供应约70巴压力的冷却液。目前这种冷却液供应已被广泛应用，虽然涉及到的压力不是在类似Jetbreak这样的特殊应用场合中的超高压，但是在其应用的范围内足以在加工性能和结果上获得明显的改善。这一概念充分利用了许多用户加工车间已有的或将要投入的能力和资源。 用于车削的HPC CoroTurn HP是一种用于车削HPC应用的新型标准可乐满Capto刀具概念。它能够产生平行的精确冷却液喷射，以在刀片和切屑之间产生液压楔，影响切屑形成和流动并降低加工区域的温度。靠近切削刃安装的喷嘴准确地喷射出高速冷却液射流，迫使切屑离开刀片表面并使切屑冷却和断裂成更短的长度以利排屑。标准的喷嘴尺寸为1mm，也有0.6mm到1.2mm尺寸可供特定的优化应用。 已经证明，即使在冷却液压力低至10巴时，使用HPC系统精加工包括钢、不锈钢、铝以及钛合金和耐热超级合金等任可获得相当的益处。除了由更好的切屑控制带来的更高的加工安全性之外，HPC还能明显延长刀具寿命并具有采用更高切削速度的潜力，通过使用HPC，通常能提高刀具寿命50%。 与其他任何因素相比，切削速度对切削温度和刀具磨损的影响更大。加工钛合金时，超出合理区域后的切削速度的增大会导致刀具寿命急剧缩短。但是在类似的情况下增加进给量，刀具寿命的缩短就没有那么明显。因此，通过改变进给量以改善金属去除率成为更具吸引力的方案。但是，进给量的增加肯定会产生更大的切削力，可能还会影响切屑控制，因而使用高进给量并非总是一种万全之策。 凭借可使用更高的切削速度但同时又不会出现常见的温度升高和刀具寿命损失，HPC具有通过提高切削速度而提升加工性能的潜力。对于按照ISO S类的材料，能够在保持相同切削长度的同时提高20%的切削速度。 内圆车削也是HPC能够发挥重要作用的一个领域，它有助于确保良好的切屑形成，在加工难加工材料例如钛合金时还能改善材料的剪切性能。这样，在进行镗削工序时可获得更高的加工安全性以及更长的刀具寿命。当采用镗杆加工相对大而深的孔，例如起落架零件时，采用前后端均带模块式接口的模块式刀具概念是十分有利的。由于能够快速准确地更换夹紧在机床上镗杆前端的较小的切削模块，因此为在一次装夹中进行各种切削提供了相当大的灵活性。CoroTurn SL将带齿纹接口的切削刀头与防振镗杆相结合用于镗削深度为10倍直径的大孔，也具备了HPC的能力。 用于铣削的HPC 通过中心冷却，HPC也为铣削带来益处。CoroMill 690是一款专用于钛合金加工的具有HPC能力的长刃立铣刀。其每个切削刃都由许多刀片组成，而每个刀片都有相应的冷却液喷嘴为其提供高压喷射。在无需使用铣刀的整个轴向深度的情况下，可以使用塞子代替喷嘴，这样可以避免不必要的空喷射而浪费冷却液压力。位于刀具端部的喷嘴有助于排屑，避免出现切屑的再切削效应（特别是在型腔加工中）。 为了确保运用冷却液流和压力的正确数值，可采用专用计算器来实现HPC在铣刀上的最佳应用（输入机床的冷却液流速和压力、切削参数、轴向切深等）。该计算器将算出喷嘴的尺寸，这样可实现最佳的加工效果并降低流量要求，同时保持所选孔在冷却液通过时保持高压流动。 钛合金化学性质活跃，因而在加工过程中容易粘结在切削刃上。这种现象通常会引起切屑的再切削效应和挤屑，从而影响刀具的寿命。在加工钛合金和其它粘性材料时，HPC是防止工件材料粘接在切削刃上的一种常用方法。 在加工过程中产生的温度和施力会影响零件表面完整性。冷却液的使用在控制温度方面起到一定作用，因此HPC可提供更加可靠的表面完整性。刀具喷嘴直接对准刀片上与精加工表面相接触的部分。因为CoroTurn HP喷嘴是不可调的，这样就可消除大量的变数，从而获得更可靠和一致的加工过程。 优化现有工序 与可乐满Capto相结合，很容易将CoroTurn HP加入到这些应用场合。与粗加工工序相比，在半精车和精车中，切削液组成的液压楔更易施入加工区域，切屑厚度更好控制，更容易应用液压楔。 高压加工不应被视为弥补因其它应用因素（例如刀片不合适、加工不稳定性，切削参数不正确等）而导致的缺点的手段。HPC是当工序设定基本正确时的“优化器”。该概念在车削和铣削中为实现更短的加工时间、改善的零件质量一致性以及更高的加工安全性提供了解决方法。 对各种加工工序优化的需求，特别是当对切屑形成和难加工材料的加工站主导地位时，很容易在当今机床上采用的HPC成为极具吸引力的选择。多任务机床以及新一代的立式车床的日益流行已经突显出采用高压冷却加工的益处，从切屑控制的角度来看更是如此。由于制造商越来越广泛地使用这些机床来加工难加工材料制成的航空零件，因此如何消除由于切屑的堆积而导致的麻烦愈加重要。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (8/20/2009)