高压冷却系统可提升刀具使用寿命

采用高压冷却技术可以提高车、铣工艺流程的安全性

　　带有高压冷却润滑系统的切割头可以对冷却剂射流进行准确的定向。通过把喷嘴设置在刀刃附近，即可很好地把切屑从转位刀片表面上清除干净。采用高压冷却系统，可以将刀具的使用寿命提升50%。
　　
　　大多数设备制造厂家可以在其CNC机床上采用高压冷却润滑剂。这种设备的普及引来了人们对冷却剂的使用所作的新评价。尽管已经有先进的设备问世，但很多企业仍然还是使用传统的冷却方式。在生产效率、工件质量和使用寿命等方面，高压冷却系统具有决定性的优势。特别是结合相应的刀具方案，可以使高压冷却(HPC)在加工难切削材料时发挥出更大的潜力。
　　
　　冷却剂必须进入刀刃与切屑之间的接触区域
　　
　　在传统的冷却工艺中，冷却剂射流只是大致对准加工区域，或者完全溢出。实际在有效利用冷却剂方面，还可以做更多：冷却剂必须在高压下准确对准刀刃和切屑之间的接触区域，并达到足够的液体量。惟有如此，冷却剂方可发挥出其良好的优点并改善切削工艺流程。导热、切屑形成和排放、刀刃结瘤、刀具磨损和表面质量下降——这些因素都影响着生产效率、设备使用寿命、切屑控制和工件质量。这些也是改善切削工艺流程和提高加工企业竞争力的关键性因素。

图1 高压冷却剂系统可以对喷向刀刃与切屑之间的射流进行准确定向

　　在加工不锈钢和低碳钢材料时，高压冷却技术即可发挥良好的作用。恰恰在诸如钛金属和耐高温超级合金等难切削的材料上使用HPC技术，可以明显看出其发挥的积极作用。随着创新型机床与刀具的进一步发展，高压冷却技术的效用将越来越广。
　　
　　在20世纪80和90年代，SandvikCoromant公司研发出了第一套高压冷却系统Jetbreak。采用10~100MPa高压的冷却剂定向射流方案，以公司内部基础性研究为前提，通过高压和准确定向，冷却液在转位刀片的刀刃与切屑之间构成了一种隔断，由此可以缩短接触时间，保持切屑区域的稳定。此外，Jetbreak还可以影响切屑的形状，更好地控制切屑并使切屑达到早期断屑。
　　
　　最初，Jetbreak只在小范围内投入使用，例如用于难切削材料加工或流动切屑生成的场合。在此过程中，Sandvik公司不断提高对冷却剂及压力分配效用的认识，不断体会喷嘴不同大小所产生的不同影响。对此类因素的调节，可以灵活地控制切屑的生成形状、切屑长度和切屑排放方向。单体Jetbreak设备可用于能源、航空航天和滚珠轴承等加工领域。但是时至今日，Jetbreak仍然需要平时装配立式车床所用的特殊刀具。

图2 今天的CNC机床可以提供高压冷却所需的7～10MPa的工作压力

　　CNC机床冷却系统可以提供7~10MPa的工作压力
　　
　　今天，大多数的CNC机床均拥有足够大的液体罐、液泵和可提供7~10MPa工作压力的冷却润滑系统。这种标准足可以作为使用高压冷却技术的基础。装备这种技术的车削加工中心和多功能机床均可达到更好的效率和更好的加工结果。
　　
　　通过在模块化刀具系统上的集成，高压冷却系统可以获得更多的产能效益。快速刀具更换功能可以缩短辅助时间，模块化系统可以与冷却润滑剂导入系统处于安全的连接状态。由此可以降低漏油和压力波动的风险。这样可确保刀刃持续得到冷却润滑剂的保护。
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　　CoromantCapto模块化快速更换刀具系统从一开始便是为Jetbreak而研发的一种刀具平台。今天，该系统仍然构成用于车削加工的新的Coro-TurnHP标准高压冷却系统的基础。鉴于内置冷却剂导入系统和高压设计，CoromantCapto系统适用于此类任务。此外，ISO标准型和作为很多带有固定和驱动式刀具的CNC机床的选项的刀具系统均可提供。
　　
　　Coro-TurnHP可以实现精确定向和并行的冷却剂射流，通过在刀刃边缘附近设置喷嘴，高速射流可以把切屑从转位刀片表面上排除掉，同时还可以起到冷却和破断切屑的作用。零碎的切屑就容易被排走。喷嘴的标准规格为1mm，此外，针对精细调整，还有0.6~1.2mm的规格可供选用。在精加工过程中，即使压力较低，只有大约1MPa，但Coro-TurnHP仍可展示出其积极的效用。这里涉及诸如钢、不锈钢、铝、钛和耐高温的高合金材料。除了因改善切屑管理而达到很高的作业安全性之外，HPC还可以提高切削速度，使刀具使用寿命最大延长50%。

图3 带有Capto刀具接口的Coro-Turn-HP车削
刀具是适用于高压冷却加工场合的专用刀具

　　切削速度影响刀具磨损程度
　　
　　切削区域的温度和与之相关的刀具磨损会特别受到切削速度大小的影响。在切削钛金属时，切削速度的提高，除了影响切削性能之外，也会极剧降低刀具的使用寿命。如果进给速度也以相同于切削速度的比例提高，则刀具的使用寿命只是会略微降低。乍一看，似乎提高进给速度是提高切削率的一个有吸引力的途径。但是，只要观察高进给率下所产生的极大地切削力及其对切屑管理的负面影响，就可以看出这种途径并不值得推荐。
　　
　　高压冷却措施即可提供帮助。它既有助于提高切削速度，又不导致温度上升，同时在较高的进给量时仍可减弱切削力的上升幅度。在加工ISO-S材料时，在相同的切削长度的情况下，可以提高20%的切削速度。
　　
　　在采用钻杆对较大和较深的孔进行加工时，像Coro-TurnSL等型号的模块化刀具系统结合使用HPC，可更好地发挥出其优点：由于切割头不受钻杆的限制而实现快速和简单的自由更换，因此可以灵活执行多个加工步骤。采用高压冷却润滑材料，可以实现更加可控的切屑形状并降低剪切效应。这使得加工作业达到安全和无磨损的水平。Coro-TurnSL系统结合采用了振动阻尼的钻杆和稳定的切割头刀具接口。这种组合适合于孔径可以达到钻杆直径10倍深度的钻孔操作，并预备有连接高压冷却系统的设施。

图4 Coro-Mill690型套式立铣刀专为高压冷却剂而准备

　　在对高强度材料进行铣削时，HPC也可发挥出其优点来。Coro-Mill690型系统是专门为加工钛合金而研发出来的带有高压冷却剂功能的套式立铣刀。每个转位刀片座均拥有自己的冷却剂引入系统，因此，每个刀片都可从高压冷却剂射流的优点中受益。如果铣刀无需全部埋入，则未被启用的冷却剂引入系统即被关闭，以便保持冷却剂压力不受损失。铣刀端面上的冷却剂喷头的位置分布充分考虑到了排屑的方便和避免切屑被二次切削的情况，尤其是在加工凹处和沟槽处且切屑排放不便时。
　　
　　计算机测定出理想的HPC参数
　　
　　由于钛金属属于容易发生反应的一种材料，具有在转位刀片上结瘤的倾向，因此这种现象会导致刀具使用寿命急剧降低。对此，解决的途径也在于采用高压冷却技术，它可以有效阻止刀刃结瘤的生成。
　　
　　采用一种专用的计算机可以测定出理想的HPC参数。其中需要输入诸如冷却剂流量、冷却剂压力值、切削数值、轴向切削深度和刀具特征参数等数值。测定的结果可以为最佳喷嘴规格的选择提供建议和依据，选出的最佳喷嘴可以在使冷却剂保持恒压的情况下，维持较低的冷却剂流量。
　　
　　温度变化和加工时产生的切削力可以导致表面质量的波动。由于传统的冷却方法已经有助于改善工件表面质量，因此，采用高压冷却剂可以极大影响最后精加工的结果。冷却剂射流可以准确对准刀片上与精加工表面相接触的特定位置，准确定向可以避免射流偏差和可能出现的错误源。由此可以达到安全和匀质的加工流程，获得无瑕疵的表面质量。
　　
　　但是，采用高压冷却润滑剂不能弥补其他应用参数(例如选错转位刀片、加工不稳定或选错切削数据等)的错误。在其他正确的基准工况条件下，HPC无疑是一种“切削流程优化器”。高压冷却技术可以提供降低流程时间、维持工件稳定质量和提高车、铣工艺流程安全性的机会和条件。