可实现高效加工的低温切削系统

发表日期：2016年5月11日来源：中国多片锯网

有效消除刀具/工件界面处的切削热是延长刀具寿命、缩短加工时间、实现高效加工的主要途径。为了实现这一目标，可以采用几种常规方法，如干式切削、最小量润滑（MQL）、浇注式冷却、高压冷却等，而低温切削技术也可以名列其中。

不过，并非所有使用致冷剂的加工系统都采用相同的方式来延长刀具寿命、提高切削速度和进给率。本文介绍三种低温切削方法，其中有两种使用液氮（LN₂）作为致冷剂，另一种则采用液态二氧化碳（CO₂）与空气或干性气雾润滑剂的混合物。

图1 ICEFLY系统可将用于致冷的液氮输送至刀具切削刃处(鼠标悬浮窗口放大，单击查看放大全图)

为了应对刀具基体的大敌——切削热，温度低至-196℃的液氮是一种高效、无残留的致冷剂。如果不能有效去除切削热，刀具就会受热软化，并提前失效。美国工业气体供应商Air Products and Chemicals公司开发了ICEFLY致冷剂输送系统以及在切削区应用致冷剂的相关加工技术。该技术可使切削区温度保持在-157~0℃（图1）。

ICEFLY系统使用专门设计的同轴套管（内外管）来输送致冷剂。高压液氮在内管中流动，而外管中的低压液氮流可最大限度地减少内管中高压液氮的热损失。饱和的高压液氮流通过一个外部喷嘴喷出，并在喷到目标表面上后立即蒸发，不会产生任何残留。

由Dimensional Control公司生产的Spidercool喷嘴就是一款伺服驱动的可编程喷嘴，它可以安装到几乎任何型号的立式或卧式加工中心上。不过，为了确保在极低温度下使用时不会发生粘连，对标准的Spidercool喷嘴进行了重新设计，采用了一些新的内部组件。

ICEFLY系统主要用于加工5类工件材料：①硬度高于HRC45的钢和铸铁；②经过烧结硬化或热处理的粉末金属；③高硬度金属基复合材料；④用于制造医用植入物的钴铬合金和其他难加工材料（以避免使用一直被怀疑为污染源的传统金属切削液）；⑤用聚合物材料（如有机硅、聚氨酯和PEEK树脂）制成的医用植入物。

低温切削聚合物材料时，控制好工件温度是防止出现表面缺陷（如因过度冷却而形成的裂纹和毛刺、表面涂污等）的关键。通过正好在加工前对未切削表面进行最佳温度的冷却，致冷剂就能消除或大幅减少毛刺的产生，并提高工件材料的可切削性。软接触透镜的加工就是一个例子。如果你能通过低温冷却提高工件表面的模量或硬度，就可以对其进行切削加工。否则，其高粘性会使其很难加工。

与切削金属不同，对聚合物进行低温切削时，需要将液氮流引导到聚合物工件上。为了避免过度冷却和加工时出现裂纹，Air Products公司开发了一种使用液氮和氮气混合物的专利加工技术。他们可以设定需要喷射到工件材料上的致冷剂流的最佳温度。不同聚合物的玻璃化转变温度是确定冷却条件的一个很好的出发点，通过切削试验，可以进一步优化冷却条件。

加工专业知识是低温切削的一个重要组成部分。对于大多数金属切削加工而言，重点是冷却刀具和控制工件的温度及尺寸。但在切削具有加工硬化倾向的工件材料或断续切削时，冷却刀具则是唯一的重点。在这些加工中，液氮需从刀具下方喷出，这样可以通过刀具增强传导冷却效果，同时最大限度地减少因过度冷却造成的未加工工作表面硬化。

低温冷却技术使最终用户可以提高切削速度，而且能使用在许多采用浇注冷却液或干式切削的加工中无法使用的硬脆刀具材料（如氧化铝陶瓷），从而可将生产率提高50%-200%。然而，采用低温冷却技术还可能获得更大的收益。例如，一家车间在加工锻造钴铬合金时，将浇注式冷却改换为低温冷却，并用陶瓷刀具替代了硬质合金刀具，从而将切削速度从30.5-38.1m/min提高到167.6-213.4m/min。

低温切削还能延长刀具寿命，但根据制造经济学原理，延长刀具寿命不应成为其首要目标。客户希望将刀具寿命的延长转化为生产率的提高，因为除非刀具材料是PCBN或PCD，否则仅仅为了延长刀具寿命而采用低温切削在经济上并不划算。

虽然标准刀具也可用于低温切削，但大多数刀具制造商购买ICEFLY系统都是为了进行开发低温切削专用刀片牌号的研究。

图2 用5ME公司开发的Cryo系统进行低温切削加工(鼠标悬浮窗口放大，单击查看放大全图)

液氮也可以通过机床主轴和刀具内部直接输送至切削刃。总部位于美国辛辛那提的5ME公司开发的Cryo技术就采用了这种方式。这种低温切削系统采用带真空隔热层的内外套管输送管道，可将液氮从外部储存罐（真空瓶）输送至切削区，同时可避免机床零部件受到低温的不利影响（图2）。

安装Cryo系统时，无需卸下主轴，而只需将一个也采用真空隔热内外套管设计（可使其外管保持在室温）的喷头插入拉杆内孔即可，无需对机床结构进行任何改动。

不过，由于真空套管无法穿过刀体，因此5ME公司设计了专门用于其低温切削系统、采用PTFE（聚四氟乙烯）作为隔热材料的可转位和整体硬质合金刀具产品线。如果不采用5ME的低温切削刀具，就无法运行5ME的低温切削系统。该公司可为最终用户提供大约60个系列的低温切削刀具，包括立铣刀、面铣刀、大进给铣刀、螺纹铣刀、钻头和车刀。

虽然5ME公司并不生产机床，但愿意与任何机床制造商合作。使用Cryo系统的目标机床主要是中型卧式加工中心（HMC）和大型立式加工中心（VMC）。这意味着，HMC的托盘尺寸至少应为630mm，VMC则应具有大规格的主轴（如CAT50、CAT60或HSK100A）。将这些机床作为应用目标，有助于确保获得合理的投资回报，因为对于一台上述尺寸或更大规格的新机床而言，Cryo系统的硬件成本大约占到总成本的30%。

因为致冷剂会从工件表面蒸发，因此Cryo系统可防止工件材料变得更难以加工。但复合材料的切削却是一个例外：为避免工件撕裂或分层，允许一些液氮溢出。5ME公司专门对一家大型商业飞机制造商的复合材料钻削和修边加工进行了为期3个月的切削试验。

图3 用液氮低温切削技术加工图示钛合金飞机结构件时，加工速度比采用冷却液提高了52%(鼠标悬浮窗口放大，单击查看放大全图)

为了量化评估采用Cryo技术切削金属材料的生产率，洛克希德马丁公司在加工一种中等尺寸的钛合金（Ti6Al4V）飞机结构件时，使用Cryo低温切削技术的加工速度比使用冷却液提高了52%（图3）。该公司的测试结果表明，除了可以缩短加工时间以外，低温切削还能减小残余应力，防止形成毛刺，避免晶界畸变和产生白层（马氏体层），从而提高了表面完整性和零件质量。所有这些还只是能直接增加价值的好处。除了能以更快的速度、更低的成本加工零件以外，低温切削还更‘绿色’，由于不使用切削液，可以提高操作人员的健康和安全水平。

尽管如此，让市场接受低温切削技术的最大障碍可能是最终用户的观念。液氮并非唯一使用的致冷剂。液相CO2在室温下输送至刀具喷出口，在喷出时膨胀为气体并产生低温。-78.5℃的液态CO2虽然温度不像液氮那样低，但同样能有效地使刀具保持在室温，从而延长刀具寿命和提高生产效率，同时还能获得比非低温切削更好的表面光洁度。

从技术上讲，完全可以在目前市场上的每台斯达拉格(Starrag)机床上都安装这种冷却系统。不过，该系统的主要用途是针对难加工材料叶盘和叶片（如涡轮叶片）的五轴联动加工。

与通过主轴和刀具内部管道输送致冷剂的液氮冷却系统不同，斯达拉格/瓦尔特公司设计的冷却系统提供了两条通道（图4）：一条用于输送CO₂，另一条用于输送空气或干性气雾润滑剂（ATS）。这就使最终用户可以选择CO₂+ATS、CO2+空气、单一ATS、单一空气或单一CO2等多种冷却介质。例如，加工钛合金时，为了减小摩擦，就需要采用一些气雾润滑剂。