高压冷却技术在航空零件加工领域的优势

作者：山特维克可乐满

欢迎访问e展厅 展厅 3 铣刀展厅 钨钢铣刀, 立铣刀, 整体铣刀, 盘铣刀, 螺纹铣刀, ... ——高压冷却（HPC）技术让使用者获益匪浅 冷却液在航空零件加工中的角色正在经历着演变。加工车间多年来的做法是：直接将冷却液喷向加工区域。然而现在，高压冷却技术可将冷却液精准地导向实际切削区，其优势已经彰显。令人振奋的是，随着很多现代化数控机床对冷却液容量的提升，以及与之配套的全新刀具概念的推出，这一新的技术已经可以广泛应用。 效果与众不同 如果要在现代加工中使冷却液有效地发挥作用并产生与众不同的效果，就需要配置高压喷射冷却，其流量必须足够大，喷射方向也要正确。一条溪流一样的冷却液或使冷却液冲过加工区域的做法已经无法满足需求。 合理运用高压冷却（HPC）技术会在以下方面产生显著的效果：切屑成形、热量分布、切削刃上工件材料的粘结性、表面完整性和刀具磨损。通过不断提升的生产效率和加工质量这些基本的加工因素，相应地提升了竞争力。高压冷却（HPC）技术的应用在不锈钢和低碳钢的常规加工中收效已经非常不同，不过在难加工材料，例如钛合金和耐热超级合金的加工中，这一技术的表现更为出色。近期有关高压冷却（HPC）技术的大量研发使其更易于使用，也更具吸引力。 Jetbreak系统开创高压冷却理念 在19世纪80年代到90年代，山特维克可乐满开发了第一代的高压冷却系统Jetbreak。研究表明，对可加工性和切屑控制方面要求苛刻的加工材料来说，100～1000巴的超高压力、方向精确的冷却液射流已经成为切削刀具的一部分。冷却液喷射流在切屑和切削刃之间形成一个液压楔，随着加工区域温度的降低，切屑和切削刃的接触长度缩短。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。 通过非标刀具的应用，Jetbreak系统已成为加工性差或断屑困难材料的理想解决方案。冷却液压力的分布以及喷嘴的尺寸会对加工效果产生很大的影响。通过调整射流参数，可获得不同的卷屑效果，并使带状屑导向所需的方向成为可能，甚至做到改善切屑的长度。Jetbreak系统的实际应用比较有限，主要用以解决石油、航空航天和滚动轴承行业中遇到的问题，采用Jetbreak系统则需要配备专用的非标刀柄，且该技术主要应用于立式车床。 高压冷却技术成为行业标准 许多现代数控机床带有标配或选配的压力为70～100巴的冷却系统，这足以使用高压冷却技术，并用在常规的加工中心、车削中心、立式机床以及多任务机床加工中，以获得出色的加工效果。标准设备足以提供通向射流应用区域的冷却液通道。 当使用高压冷却进行加工时，使用模块化刀具是最佳的方法，它不仅可以通过快速换刀在一定程度上确保最小的停机损失，而且提供了将冷却液从机床引向切削刃的可靠有效的通道。可乐满Capto 模块化快换刀具系统是Jetbreak和山特维克可乐满新型模块式高压冷却刀具CoroTurn HP开发的基础。可乐满Capto已经成为ISO标准，被许多数控机床所广泛选用。 用于车削的高压冷却技术 CoroTurn HP能够产生平行且精确的冷却液喷射，在刀片和切屑之间产生液压楔，影响切屑形成和流向并降低切削区域的温度（见图1）。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，以利于排屑。标准的喷嘴尺寸为1mm，也有0.6mm～1.2mm的尺寸，可供特定的优化应用。 即使冷却液压力低至10巴，在对钢、不锈钢、铝合金、钛合金和高温合金等材料进行精加工时采用高压冷却技术仍可获得相当的益处。除了由更好的切屑控制带来的更高的加工安全性之外，高压冷却还能明显延长刀具寿命（高达50%）；采用更高的切削速度所带来的则是显著节约生产成本的潜力。 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。加工钛合金时如果超出合理的加工区域，加快切削速度会导致刀具寿命急剧缩短，但是以类似的方式增加进给量，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，使用高进给量并非总是一种万全之策，进给量的增加肯定会产生更大的切削力，但也会影响切屑控制。 凭借更高的切削速度，但同时又不会出现常见的温度升高和刀具寿命降低，高压冷却技术具备提升加工性能的潜力。无须使用更高的进给量带来更高的切削力，也可以产生明显的冷却效果。对于ISO S类的材料，切削速度提高20%的时候，切削长度仍可以保持不变。 内圆车削也是高压冷却技术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是十分有利的。由于能够快速准确地更换夹紧在机床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将带锯齿形接口的切削刀头与减振镗杆相结合，用于镗削深度为10倍镗杆直径的大孔，也具备了高压冷却的能力（见图2和图3）。 用于铣削的高压冷却技术 高压冷却技术也为铣削带来了极大的好处。CoroMill 690是一款专用于钛合金加工的、具有高压冷却能力的长刃立铣刀（见图4和图5）。其径向切削刃由许多刀片组成，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，可以使用塞子来代替喷嘴，这样可以避免不必要的空喷射而损失冷却压力。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高压冷却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、轴向切深以及刀具参数等）。该计算器将算出最佳喷嘴尺寸，这样可降低流量要求，同时保持所选孔在冷却液通过时保持高压流动。 钛合金的活性化学性质使其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。在加工钛合金和其他粘性材料时，高压冷却是防止工件材料粘接在切削刃上的一种常用方法。 工序的优化 高压冷却加工不应被视为补救其他应用因素，如不适合的刀片、不稳定性和不正确的切削参数等导致的缺点的手段。这一技术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、改善零件的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，已经可以在机床上普遍应用的高压冷却技术无疑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好处，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就变得愈加重要。(end)

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