高压冷却对车加工切屑的形状影响探究

刘 星

高压冷却对车加工切屑的形状影响探究

刘 星

（沈阳新松机器人自动化股份有限公司，辽宁 沈阳 110179）

现代机械制造行业中，车削加工是金属零件最主要的成型方法之一，但是在车削轴承钢、不锈钢等合金钢材料时，难以断屑是困扰各大制造企业的主要难题。针对这个难题，提出采用高压冷却的解决方案，通过分析切屑的成型原因及高压冷却对加工的影响，拟定合理的实验方案，得出不同压力冷却对断屑效果的影响报告。

车加工；断屑；高压冷却

在现代机械制造行业中，切削加工是金属零件最主要的成型方法之一，尤其是制造形状复杂、成型精度要求严、表面质量要求高的金属零件时，目前使用切削加工仍是最主流的方式。而在各种切削加工过程如磨削、铣削、车削中都离不开冷却系统的参与，切削加工中正确的使用冷却系统能够快速的带走切削热，保证切削刀具的使用寿命，同时冲走切屑，有效的提高加工效率与表面加工质量。冷却技术可大致分为低压喷洒冷却和高压喷射冷却两类，其中高压冷却技术是目前技术切削行业技术研发的重点方向。在20世纪50年代，高压冷却技术开始在国外逐渐出现，发展到目前，凭借其对加工效率和刀具寿命等环节的显著改善而成为金属切削行业高水平、新技术的代表之一[1]。特别是在轴承等行业加工难断屑材料，高压冷却技术被普遍认为是能够解决断屑难题，彻底改善行业加工现状的关键技术而重点关注。但是冷却液的喷洒压力达到什么数值时能够对断屑效果造成明显的影响，目前却没有任何机床制造厂家给出足够详细的数据，在实际生产加工中遇到断屑效果不好的情况通常只能盲目增大压力。本文将从切屑产生及成型的过程入手，对影响切屑成型的因素展开分析，找到在实际生产中切实可行的改善断屑性能的参数，最后通过实验加以验证。

1 影响切屑成型因素的分析

车削加工是在车床上利用工件相对于刀具旋转对工件进行切削加工的方法，产生切屑形状的主要参数取决于车削三要素，即切削速度、进给量和切削深度，如图1所示。切削速度主要与主轴的转速有关，其影响切屑的去除效率，对切屑的截面形状不产生影响。其数值的选定与刀片的材质有关，通常刀片制造商会给出一个合适的速度范围，已有部分资料显示，在给定的切削速度范围内，改变切削速度对断屑效果影响极小。切削深度和进给量构成了切屑截面的主要尺寸，按传统的加工经验，相同工件精加工时要比粗加工更难断屑，即切屑截面尺寸较大时断屑效果相对较好。但是进给量直接影响了加工后的表面粗糙度，生产中能够应用的改善断屑效果的参数只有切削深度。

图1 切屑形状与切削三要素的关系图

当切屑被刀片从工件上剥离下来时，切屑主要与前刀面摩擦，其弯曲角度取决于刀片前角，显然刀片前角越小，切屑的弯折程度越大也就越容易折断。在加工轴承钢、不锈钢等韧性较强的合金钢时多会采用负前角的刀片，但即便如此仍然难以达到理想的断屑效果。除此之外，刀片尖端的断屑槽也对断屑效果有一定作用，虽然各个刀具厂家推出几十甚至上百种不同的槽型，但究其根本均摆脱不了局部改变切屑弯折角度的本质，宣传的优良断屑效果实际牺牲了刀片寿命。根据走访国内部分大型加工企业，目前市场上尚未发现任何刀具厂家能够在兼顾刀片寿命的前提下实现轴承钢材料的良好断屑。

冷却系统的作用机理与上述的加工因素存在不同，车削过程中会产生大量的切削热，大部分切削热会被切屑带走，冷却系统将常温的切削液泼洒在加工区域，通过热传导将切削热带走，快速的降低切屑的温度，使切屑冷硬变脆，从而更易折断[2]。过去所使用的常规冷却方式为浇注冷却或低压喷洒冷却，加工时使用水管或喷口把冷却液大致的对准刀具前端浇淋，依靠相对量大的冷却液自行流淌到整个切削发生区域。但是在这种不够准确的低压或无压冷却过程中，加工环类零件内孔等被遮挡的加工面时，或者刀具反向走刀加工时都可能会使冷却液被工件或刀柄遮挡，导致冷却液不能顺利到达刀具尖端，即便是具备较低压力的冷却液喷射方式也只是粗略的瞄准刀具尖端，受到零件形状或切屑的影响仍然较大，无法实现预期的冷却和断屑效果。而高压冷却技术是指在加工过程中，给冷却液施加一个极大的喷射压力，经由特定的内部通道和喷射孔，在刀具尖端附近把冷却液精准的喷射到切削运动的实际发生点，通过直接大量的冷却液带走切削热并以足够的冲击力折断切屑[3]。

随着实验条件的提升与实验经验的增多，高压冷却技术能够起到的作用在近几年被研究的越来越明晰。在切削过程中，高压冷却技术比传统常规冷却技术能够更好的降低切削热的生成已经是得到公认，关于在冷却过程中的实际作用机理也集中在研究刀具与铁屑和刀具与工件之间的摩擦和润滑的影响。有部分文献显示，和常规低压或无压冷却切削相比，高压冷却切削能够增大切削液的传导率，使切削液更强有力的抵达切削区，加速炙热切屑的冷却速度，使其快速冷硬，同时施加冲击力在切屑上增大卷曲程度，从而实现更好的断屑效果。此外还减小了切屑与刀具的接触面积，使切屑对刀具表面涂层的摩擦更小，在相同的加工过程中对刀具的磨损更小，从而提高切削刀片的使用寿命。

2 高压冷却技术的发展与不足

高压冷却技术的研究最早可追溯到20世纪50年代，有资料记载名为皮科特和科威尔的英国学者最先对这方面进行了基本研究并发现增加冷却压力可以改善切屑状态和刀具的使用寿命。近几十年，随着螺杆泵等高压水泵制造技术的成熟，促使高压冷却技术的相关研究得到突飞猛进的发展。以库尔邦为首的几位学者将高压冷却技术应用在一种铬镍铁合金的加工过程中，在实验中发现，同常规低压冷却的加工方式对比，使用更高压力和流量的高压冷却加工过程，刀尖切削区的温度仅为常规冷却时的45%左右。

在1994年，马查多和沃尔班克在研究中得出了使用高压冷却时，冲击力极大的冷却液能够使切屑向上的卷曲半径减小，从而使加工时刀尖与切屑的接触面积减少，进而降低刀具表面与切屑间的摩擦的结果。在2000年，马祖尔基维茨在切削钢材料的实验中使用了高达280 MPa的冷却压力，同样使用外置喷嘴的情况下，分别比对了传统低压冷却和无冷却切削的结果，发现使用高压冷却时能有效减小铁屑与刀片之间接触面发生相对滑移所引起的摩擦，并减小切屑的长度，从而能适应更高的加工参数。在2001年，布雷厄姆布什纳克等人通过实验证明了加工不锈钢时使用较高的冷却压力以小流量从小冷却孔喷出会带来更显著地断屑效果，以此提高生产力。在2003年，谢尔特等人通过模拟实验将冷却液通过一个很小的喷孔从刀具尖端直接喷射与切屑的接触点，证实了精确地控制高压冷却的喷射点能极大的减少切屑与刀具的接触面积，减少切屑与刀具涂层的摩擦[4]。2018年，哈尔滨理工大学实验室在高压冷却条件下进行了PCBN刀具切削镍基高温合金试验，发现随着切削速度、背吃刀量和进给量的增大，切屑的锯齿化步距和锯齿化程度增大；随着冷却液压力的增大,切屑的锯齿化程度降低，锯齿化频率增大；在高压冷却条件下断屑能力得到了提高，并随着压力的增大，断屑效果进一步提高[5]。

这些研究成果虽然证实了高压冷却的作用，但其采用的冷却压力却仅能在实验室实现，不具备市场普及型。压力达到2 MPa的水泵价格在数千元以上，压力达到7 MPa的螺杆泵价格更是超过万元，更高压力的冷却系统包括水泵、管路、控制阀等零件更是需要几十万元一套，甚至超过了整套加工设备的价格。因此在最高7 MPa以下的压力范围内寻找合适的冷却方式才更具备推广意义。

目前多数车床设备的冷却系统终端是若干个冷却管，或在刀塔上钻有几个冷却喷孔，虽然可以对准加工区域，但切削液离开喷口后飞射的几厘米距离就会造成压力的明显下降。为保证冷却压力能够良好的传递到切削区，应采用内冷式刀具，即冷却液接入刀具内部，通过刀具尖端的小孔喷射而出，直接冲击刀尖切削区。

3 高压冷却下的切削实验

切削零件：深沟球轴承外圈；

试件材料：GCr15；

套圈尺寸：外径160 mm，宽度30 mm；

加工设备：沈阳机床i5T3.3数控车床；

切削部位：精车外圆及外侧圆角；

精度要求：尺寸精度±0.02 mm，表面粗糙度Ra0.8；

切削刀杆：山特维克内冷刀杆PDJNL2525M15HP；

切削刀具：山特维克硬质合金涂层刀片DNMG150608-SF。

本次高压冷却下的车削实验主要针对精车时的断屑情况。为保证实验后的结论可以应用于实际的生产过程，精车过程中的单侧切深需控制在合理以内，以便不影响加工后的尺寸精度。过大的切深带来更大的切削力，轴承套圈属于环状零件，极易发生加工变形，精车时单侧切深通常不大于0.8 mm。过小的切深会使切除量不够稳定，甚至发生让刀现象，精车时单侧切深需要大于0.15 mm。本次实验中将单侧切深按0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 mm分为6组。

除加工精度外也要满足加工后的粗糙度要求，加工后的粗糙度是刀片的刀尖圆角与进给速度共同影响的结果。刀尖圆角越小，刀具就越锋利，断屑效果也越好，所以精加工时使用的刀具通常刀尖圆角都小于粗加工时。但实现相同的粗糙度，刀尖圆角越小进给速度就越慢，加工时间就越长，且刀尖圆角小的刀具使用寿命也越短。按照国内几大轴承制造企业的生产工艺，在兼顾寿命与使用效果后，本次实验中选取的刀片刀尖圆角为R0.8。根据车削经验实现粗糙度Ra0.8需要采用低于0.15 mm/r的进给速度，为保证较高的加工效率，本次实验进给速度取要求范围内的最大值，即0.15 mm/r。切削速度根据所选刀片的推荐值取200 m/min。

作为对照实验，在相同加工条件及参数下，使用常规低压冷却（0.1 MPa）方式，按6组不同切深进行加工，其结果全部不能断屑，对照组加工后粗糙度在Ra0.8～Ra0.85之间。高压冷却下，逐渐增加压力，记录的部分实验结果如表1所示。

表1 高压冷却断屑实验部分数据

序号冷却压强/MPa切深/mm切屑状态加工后粗糙度 130.2不断屑Ra0.70 230.3不断屑Ra0.72 330.4不断屑Ra0.71 430.5不断屑Ra0.72 530.6不断屑Ra0.73 630.7不断屑Ra0.72 750.220 cm中长屑Ra0.71 850.330 cm长屑Ra0.73 950.4不断屑Ra0.69 1050.5不断屑Ra0.70 1150.620 cm中长屑Ra0.72 1250.720 cm中长屑Ra0.72 1370.25 cm短屑Ra0.71 1470.310 cm中短屑Ra0.73 1570.420 cm中长屑Ra0.69 1670.530 cm长屑Ra0.73 1770.65 cm短屑Ra0.72 1870.7碎屑Ra0.72

当冷却压力小于5 MPa时，6组切深参数下的断屑效果均为发生明显改变；当冷却压力达到5 MPa时，最大和最小切深参数组先开始出现明显断屑效果；当冷却压力达到7 MPa时，6组切深参数下均达到明显断屑效果。增大冷却压力可对加工后的粗糙度带来明显改善，达到3 MPa后继续提升冷却压力加工粗糙度不再提升。

4 结论

在使用高压冷却的车床加工情况，断屑效果大体趋势仍然符合切屑截面尺寸越大越容易断屑的特性，越大的冷却压力带来的断屑效果越明显。但是在切屑截面尺寸小于某个数值时，高压冷却带来的断屑效果出现了反向提升，其可能的原因应该是切削液的冲击力使切屑的弯曲达到了某个临界值，这里有待下一步加以研究验证。更高的冷却压力可以使切削液更快速的到达切削区域，从而使加工后的粗糙度得到提高，但是冷却压力达到3 MPa后，其改善效果达到极限，继续提高压力加工后粗糙度不再提高。

总的来说，在冷却方式及切削参数选择合理的情况下，冷却压力至少需要5 MPa以上的压力才能明显改善断屑效果，同时可以提高一定的加工质量。对于实际生产过程，采用7 MPa以下压力实现断屑效果的提升具备推广的可行性。

[1] 吴玉华. 金属切削加工技术[M]. 北京: 机械工业出版社, 1998.

[2] 冼健. 高压冷却技术在现代加工领域的优势[J]. 黑龙江科技信息, 2013(22): 103-103.

[3] 三特维克可乐满. 高压冷却(HPC)用于加工航空材料[J].工具技术, 2009, 43(9): 9-10

[4] 郑永纯. 难加工材料高压冷却切削性能及试验研究[D].哈尔滨: 哈尔滨理工大学, 2015.

[5] 吴明阳, 于永新, 程耀楠, 等. 高压冷却下锯齿形切屑几何表征试验[J]. 中国机械工程, 2019, 30(1): 38-45.

Influence of High Pressure Cooling on Turning Chips

LIU Xing

（Shenyang Xinsong Robot Automation Co., Ltd. Shenyang 110179, China）

Turning is one of the most important forming methods for metal parts in the modern machinery manufacturing industry. However, when turning bearing steel and stainless steel alloy steel materials, it is difficult to break the chip, which is the main problem that troubles the major manufacturing enterprises. To solve this problem, this paper analyzes the reasons for chip formation and the impact of high pressure cooling on processing, and proposes a solution using high pressure cooling, and draws a report on the impact of different pressure cooling on the chip breaking.

turning; chip breaking; high pressure cooling

TH161

A

1674-3261(2021)04-0241-04

10.15916/j.issn1674-3261.2021.04.007

2021-04-07

刘星(1989-)，男，辽宁锦州人，工程师，硕士。

责任编校：刘亚兵