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高压冷却液的科学 |
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作者：ChipBlaster Gregory S.Antoun |
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高压冷却液是一项新的热门技术，在过去10年的时间里其使用大约上升了500%。我们都听说过或者看到过高压冷却液可能产生的明显结果。不幸的是，大多数购买高压的制造厂家不真正知道如何最好地利用它。甚至对什么样的压力才算高压都存在疑团。当我在说高压时，它指的是至少1000磅/平方英寸。本文将向你简单介绍科学使用高压的规则。
技巧不是科学
当我问：“该过程如何起作用”时，我几乎总是会得到一个技术方面的答案，诸如“将它设定为7，如果不行，则试试7.5。”科学则与此不同；利用它，您可以在花钱之前知道会出现什么样的现象。本文将把金属切削当作一个必须用标准科学理解方式加以分析的物理或化学问题而考虑。
宇宙规则适合我们所有人，即使我们身处制造业中也不例外。有一些奇怪的想法，认为只有通过不断尝试才是在我们业务中不断发展的唯一途径。这样做将导致超出传统科学思维的个人理论。尽管您可能发现统治整个宇宙的新的规律方面的认识，但是这种机会却是几百万分之一才会发生。这种思维路线所存在的问题是，它的代价昂贵，并且通常不会产生最好的结果。
如果您无法用大学第一年的学科解释所发生的事情，那么您对它就没有真正理解。当我们往火星发射探测器并得到令人震惊的照片时，设计该设备的人采用了以牛顿、伯努利或爱因斯坦等命名的理论。标准科学理论已经证明了可以预测物理相互作用结果的公式。我们的业务也应该采用这些预测性的科学方法。 
多少冷却液？
您的新CNC机床需要多少冷却液？一般的基于经验的答案是“你有多少用多少”、“机床上随机提供了多少就用多少”或者“它看起来合适就行。”科学的答案(简短型)却是0.5gpm/马力。利用普遍认可的标准的科学理解，我们知道用于切削的每马力的能量通过定义等于746瓦特。如果你采用10马力，则在切削中输入了7460瓦特(10 ×746)。那么对于你输入到切削中的能量发生了什么现象呢？我们都知道它变成了热量，并且对于这个简单的计算，我们可以用一个90%的常数：
1瓦特=3.41 Btu(英热量单位，252卡)；
7,460瓦特×3.41 =25,438 Btu以90%转换=22,894 Btu
设计散热器或家用加热系统的人会计算吸收或者带走1 Btu热量所需要的水量。计算中有许多因素：金属有多热、流体有多冷、流体接触金属的百分比以及时间长度等。不进行许多这类计算，我们也可以就以下现象进行某些假设：适当导向的冷却液的平均过程以及经验答案规则，采用25%的安全因子，得出0.5gpm/马力。因此，如果你在切削中采用了10马力，则您需要5gpm冷却液实现高压效果。
工作原理
高压形成了局部的压力增加，避免了蒸气的形成。液体的作用力、指向切削点的质量和加速的结果等结合起来，完成了工件的加工任务。
力=(质量×速度2)/重力
速度 =14.7(英尺/秒)×PSI½
你将注意到，压力不是这个熟悉的方程式的一部分。它与速度有关，但是不是一对一的方式。如果你将压力提高100%，那么力只能提高40%。如果你将体积提高100%，那么力可以提高100%。
始终要提高体积；千万不要提高压力，除非必须这样做。为什么需要这样做？简单的力学理论：请记住所有的冷却液必须冲击切屑与刀具之间的空隙。如果你的目标面积较小，并且你在切削中使用了很高的马力，那么你可能必须在这个小面积中装入更多液体。随着压力提高，相同数量的冷却液将通过越来越小的孔隙加进去。你必须提高压力，直到去除所产生热量所必须的所有冷却液都进入到目标区域为止。(在网址www.chipblaster.com上可以看到孔隙表，其中可以告诉你对于给定的压力，通过某孔隙的冷却液量。)最好的策略是保持压力恒定而基于钻头尺寸或者切削中所用的马力而改变冷却液量，只有在绝对必要的情况下才提高压力。
可以在新的或现有机床上使用一个独立的单元。
钻削问题
钻削过程中出现了另一种情况：真正重要的压力是随着流体从孔中出来时形成的背压。这里的规则是每英寸的钻头直径采用10 gpm 冷却液。一个直径为0.500英寸的钻头需要5 gpm的冷却液来实现高压效果；而0.250英寸的钻头则需要2.5 gpm。
最常见的问题是冷却液孔太小。 钻头必须可以通过足够的冷却液，否则它的性能将不正常。依据孔隙表检查孔尺寸或者进行漏斗试验：让钻头静止，将冷却液导引到漏斗中，时间30秒，然后测量你所收集的冷却液体积。
接下来一个最常见的问题是冷却液孔处在钻尖后角中。这一点对小钻最常见。间隙通常只有5度，从而就不存在让冷却液从孔中出来的空间。在使用中，孔的底部阻塞了孔。为了实现相应的功能，至少50%的孔必须处于二次挤磨中。某些钻头制造厂家仍然不理解孔尺寸和定位之间的这种简单关系。你必须确保 — 在100个孔和10,000个孔之间有明显的不同。如果你没有足够大的冷却液系统来维持全部压力，则那些没有得到合适信息的供应商会建议在封闭的钻头末端焊接孔，其中钻的孔尺寸较小，从而冷却液系统上的压力表会显示完全的压力。千万不要这样做；这样做在概念上就是错误的。
一般地，钻削规则和马力规则会给你提供相同的答案。如果它们之间存在冲突，则要采用更大的体积。
冷却液浓度是大多数过程中很少得到理解的元素之一。应该采用什么样的浓度呢？5%是否合适？或者6%？摩擦学是一门对润滑进行研究的学问，我们大家对其主要的理念之一都很熟悉：接触的表面积越大，润滑的需要就越高。平面轴承所需要的润滑比滚动轴承的高，而滚动轴承需要的润滑又要比滚珠轴承的高。
切削刀具遵循相同的规则：与工件接触的刀具表面越大，所需要的润滑越高，因此，冷却液浓度越高。单点车削刀具接触面积最小，采用5%的浓度就可以。钻头的整个刀尖和边缘都接触工件，始终最少需要8%的浓度。铰刀具有更多的表面接触，因此可能需要10%。需要最高润滑的刀具是丝锥。它60度的切削刃使它成为所有常用刀具中表面接触最高的刀具。
控制磨损
你无须花费好几个星期来处理刀具寿命短或表面粗糙度不佳的加工任务。你可能会记住某个运行很差的加工任务，直到你提高冷却液浓度而将所有问题都解决为止。损失了多少金钱、时间和可靠性？看看与工件接触的刀具表面，你可以在遇到问题前确定合适的冷却液浓度。例如，将冷却液浓度从5%提高到8%通常可以将钻头寿命提高1000% 或更高。你是否曾经发现过，尽管如此，那些花费昂贵且需要14个星期才能到货的德国铰刀往往在一个当班中就全部报废？
为什么采用高压冷却液后刀具寿命变得如此之高？你总是听说，从你将机床接通电源的那一刻起，它就开始磨损。这是真的，我们可以描述这种现象的方式是采用一根磨损线(参见上面的图)。较大的初始磨损叫做磨合，然后我们得到一个长期稳定、可以预测的磨损期，再然后磨损一般会加速接近到报废。这是你在没有任何劈裂问题的精加工刀片上见到的现象，轿车上的轮轴轴承或防断裂底座也这样。几乎所有的机械设备都从不同程度上遵循这种磨损方式。
损坏是与此不同的。进入到切屑刀具间隙中的切屑会引起损坏。这是一种随机发生的事件，我们都知道任何随机事件组，如果绘成图的话，会给我们提供一个正常分布形式。这些是(反应模式非常不同的刀具故障的)相差很大的两个形状。适当施加的高压冷却液的作用力会将切屑从切削区冲走，从而它们永远不会接触刀具或工件而引起损坏。如果你考察该过程并说：“我一般每个刀片加工30或40个零件，但有时候刀具在加工两个零件就断裂，但有时候能加工60个。”那么你描述了一种正确的分布现象。可以绘制刀具寿命数据，并在不必实际看到它们的情况下就了解刀片情势，因为磨损和损伤是从根本上不相同的故障模式。高压冷却液会使刀具磨损而不是损坏。
为什么这样做？
高压冷却液可以解决热量问题、切屑问题以及润滑不良问题。采用它你可以获得多大的好处？与热量、切屑或润滑有关的问题都从功能上消除。问题越大，你获得的好处越多。例如，用低压冷却液进行钻削几乎始终存在切屑损坏问题。刀具和切屑在钻削孔中狭路相逢，随着切屑要从孔中出来，它们在切削点被进行二次切削并在边缘和孔的侧面之间进行挤磨。这样就会导致孔粗糙度不良，刀具寿命缩短。如果钻头具有正确尺寸的冷却液孔，并且你具有足够量且浓度合适的冷却液，则会产生令人惊讶的结果。我在全世界各地开研讨班，每次我都让每个参加研讨班的人估计在1018号钢中钻削一个0.125英寸±0.001直径、1.300英寸深的孔需要多长时间。每组的平均结果几乎都是每孔45~60秒。而采用高压冷却液这种孔可以在1.2秒钟内就加工好，刀具寿命至少为4000个孔。稀有材料诸如对热非常敏感的钛，可以通过控制过程温度而以高得多的速度进行加工。
随着这个行业从疲软期恢复过来，开始用新机床更换老设备，它们将很可能具有高压冷却液功能。为保持竞争力，你必须学会使用该工具。 (end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(1/18/2005) |
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