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刀具高压冷却技术加速渗透航空零件加工 |
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作者：山特维克可乐满 来源：中国机械与金属 |
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与众不同的高压冷却
高压冷却（HPC）在一般的加工应用、特别是在不锈钢和低碳钢的加工中运用效果良好，不过令人惊艳的是它在加工航空材料钛合金和耐热超级合金等难加工材料时的出色表现。
一般而言，要在现代加工中有效应用冷却液，往往需要更多地使用高压喷射冷却，并确保其流量足够大，射流方向也要正确无误。这种方式如能得到合理运用，其在诸多方面相比常规冷却方式都会体现出优势，包括切屑形成、切削热的分布、表面完整性、刀具磨损和工件材料在切削刃上优良的粘结性等等。
与此同时，生产效率、刀具寿命、切屑控制和排屑等基本的加工因素自然也会相应影响着制造结果，通过针对上述目标的不断改进，竞争力能进一步提升。
近期业界有关HPC的大量研发，使其更容易使用，成效也更为显着。
标准的HPC系统
许多现代机床带有标配或选配的压力为70-100巴的冷却系统，这已经足以使用HPC系统，并获得杰出的性能和加工结果。
目前，HPC更广泛地应用於加工中心、车削中心、立式车床和多任务机床，标准设备便能提供通向射流应用区域的冷却液通道。作为高压冷却液加工的一个重要基础，模块化刀具能通过快速换刀在一定程度上确保机床停机损失最小，并提供将冷却液从机床可靠而有效地引向切削刃的通道。
以用於HPC的铣刀为例，其带有内冷通道，并可根据刀具类型和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，虽然涉及到的压力并不一定是适用特殊应用场合的超高压，但即使是在其常规应用范围内，也已经足以令加工性能和结果取得明显改善。
这一加工概念的导入，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。
用於车削的HPC
CoroTurn HP是一种用於车削HPC应用的新型标准可乐满Capto刀具概念。
它能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0.6 mm到 1.2mm尺寸可供特定的优化应用。
图1 用於车削的Capto HPC刀具
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亦可获得相当的益处。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%。
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。对於按照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，它有助於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，采用前後端均带模块式接口的模块式刀具概念是十分有利的。由於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。
用於铣削的HPC
通过中心冷却，HPC也为铣削带来益处。CoroMill 690是一款专用於钛合金加工的具有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。位於刀具端部的喷嘴有助於排屑，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。
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常用方法。
图2 用於铣削的HPC刀具-CoroMill690长刃铣刀
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。
新机床技术凸显HPC加工优势
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占主导地位时，在当今机床上采用的HPC很容易成为极具吸引力的选择。
多任务机床以及新一代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。由於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，如何消除由於切屑堆积而导致的麻烦也变得更加重要。
Jetbreak 系统引领创新概念
在上世纪八十年代到九十年代，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。(end)
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(1/1/2010) |
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