采用內(nèi)冷刀具提高切削速度

毫無疑問，在對鈦、鎳合金和高強度鋼以及碳素纖維材料(CFK)進行高效切削時，傳統(tǒng)的溢流冷卻潤滑劑往往會遇到其物理極限。帶有內(nèi)冷卻功能、可以把冷卻潤滑劑定向地引向加工部位的刀具對此可以提供幫助。“采用帶有現(xiàn)代冷卻潤滑技術的刀具，可以極大降低生產(chǎn)成本，提高刀具的使用壽命，改善切屑狀況并加強切削作業(yè)的安全性。”Iscar公司鏜削產(chǎn)品經(jīng)理Herbert Volk認為，帶有內(nèi)冷卻的鏜刀的加工能力更強，“基本上帶有內(nèi)冷卻的鏜刀會更受歡迎。”他指出，對于鏜孔深度超過大約2×D的情況來說，如果采用外部冷卻劑導入的話，就無法保證整個加工過程達到足夠的冷卻效果。在無內(nèi)冷卻鏜削作業(yè)中，刀具的使用壽命和加工品質(zhì)都會明顯變差。

“切屑形成區(qū)域上的直接冷卻，切屑排放的進一步優(yōu)化和冷卻，沖洗能耗的進一步降低，這些都是刀具研發(fā)工作的目標所在。”在位于杜塞多夫的Sandvik Tooling Deutschland公司負責圓形刀具與卡盤的產(chǎn)品經(jīng)理Markus Groppe博士強調(diào)說。與無內(nèi)冷卻功能的鏜刀相比，帶有內(nèi)冷卻功能鏜刀的加工能力取決于很多因素。“很多特定的應用場合只能采取內(nèi)冷卻方式。”Groppe說道，“而且刀具的使用壽命往往可以提高300%。當然，這種提高并非零成本。與無內(nèi)冷卻功能的鏜刀相比，帶有內(nèi)冷卻功能的鏜刀價格最多要高出40%。”

內(nèi)冷刀具的正面功效

“刀具的內(nèi)冷卻基本上可以把冷卻潤滑劑盡可能近地引到刀具加工區(qū)。”Kennametal Shared Services公司鏜孔和端面銑削產(chǎn)品負責人Tilo Krieg博士表示。他列舉出一些正面的影響：“另外，從接觸區(qū)域把熱量排放出來，這有利于延長刀具使用壽命、優(yōu)化切屑排放、改善表面質(zhì)量并減少對工件表面的影響。”后續(xù)研發(fā)工作的目標便是要把這些效果應用到其他等級的刀具上。

當然，在這方面仍然存在著一些傳統(tǒng)的局限性，例如多刃刀具、帶有很長圓周刀刃的刀具、復雜的成型刀具和其他一些在直徑和結構上使得冷卻通路受限的刀具。“在這些方面，我們正在下大力氣進行研發(fā)。”Krieg補充說，“當然，可制造性也是我們所關注的一個方面。”

“總的來說，內(nèi)冷卻硬質(zhì)合金刀具可以達到較高的切削數(shù)據(jù)。當鏜孔深度超過4×D時，這種刀具也有助于切屑的排放并實現(xiàn)較長的使用壽命。”Walter公司的高級產(chǎn)品經(jīng)理Helmut Gschrey如是說。

“內(nèi)冷卻刀具的后續(xù)研發(fā)主要涉及最優(yōu)化問題。”Komet公司負責硬金屬與研磨刀具研發(fā)的經(jīng)理Reinhard Durst博士解釋說，“我們致力于尋找能夠達到冷卻劑最大傳送量的冷卻孔徑與刀具具備足夠的強度之間的最佳匹配。此外，我們還對冷卻孔出口的位置(特別是當采用特殊刀具時)和微量潤滑刀具的冷卻孔截面及出口進行優(yōu)化。”對于在何種場合使用何種內(nèi)冷卻刀具的問題，Durst表示，“在金屬批量加工場合，幾乎只使用內(nèi)冷卻刀具，這是因為唯有通過把冷卻劑定向輸送到加工位置上并且加強對切屑的排放，才能確保實現(xiàn)較高的切削效率。”在采取微量潤滑策略時，則尤為如此。

“對于深鏜孔開槽刀具(例如單刃鏜刀)來說，內(nèi)冷卻方式是至關重要的，這是因為切屑只有通過冷卻劑從鏜孔中帶出。”TBT公司鏜孔刀具業(yè)務部經(jīng)理 Jürgen Bek介紹道。在孔深為250×D以下時，內(nèi)冷卻刀具的工作狀態(tài)是安全的，“TBT借助于有限元法來對冷卻孔的大小和形狀進行優(yōu)化。”對此，切屑通道在開口角度和形狀方面的優(yōu)化不容忽視。

“實際工作表明，內(nèi)冷卻刀具一方面能夠為用戶帶來經(jīng)濟效益，另一方面也可以極大改善加工作業(yè)的安全性。”Hartmetall-Werkzeugfabrik Paul Horn公司研發(fā)部經(jīng)理Matthias Luik博士指出，“在切槽口時，采用傳統(tǒng)冷卻方式的冷卻劑往往無法到達刀刃的位置，而采用內(nèi)冷卻方式則可達到最佳效果，并使刀刃的壽命提高6倍。在深部鏤空和外冷卻劑無法達到的場合，內(nèi)冷卻銑刀則可以充分發(fā)揮出其優(yōu)勢，這是因為銑刀往往受到工件的遮擋。由于這種情況在模具制造中經(jīng)常出現(xiàn)，因此此類場合均采用內(nèi)冷卻銑刀作為技術標配。”

Jakob Lach公司與Audi公司的合作研發(fā)工作推進了鋁材切削技術能力：一種帶有切屑引導功能的內(nèi)冷卻整體PKD銑刀。“把通過PKD切削面所引導的冷卻液流與切屑排放功能集合在一個刀具上的技術方案，對于加工作業(yè)來說是最理想的。”總經(jīng)理Horst Lach說，尤其在HSC鋁材切割加工上，可以實現(xiàn)用戶希望達到的極高的切削速度和進給量，“不僅如此，冷卻劑導入整體銑刀可以攜帶多套PKD刀片，因為在切削作業(yè)中所產(chǎn)生的切屑可從加工區(qū)域里被即刻排走。”總之，通過在汽車制造業(yè)上(例如針對發(fā)動機和減速箱外殼的加工)采用新開發(fā)的PKD整體銑刀，加工循環(huán)時間已經(jīng)下降50%以上。

在設備上需要滿足的條件

在設備方面必須滿足的若干前提條件：內(nèi)冷卻至少必須具備15?bar(最佳為50?bar，1?bar=105?Pa)的壓力，以輸送冷卻潤滑乳化液、油、MMS、空氣或冷卻劑等介質(zhì)，15?000~30?000?r/min之間的高轉速和20?000~40?000?mm/min的進給量。

高效切割的目標當然尚未達到。采用CO2或N2等冷卻劑來取代常規(guī)的冷卻潤滑劑，可以繼續(xù)提高單位時間切割量并降低刀具的磨損程度。針對鏜削作業(yè)的內(nèi)冷卻，例如Chemnitz TU大學機床和生產(chǎn)工藝學院(IWP)目前就在研究如何采用CO2來實現(xiàn)高效冷卻的策略問題，正如切削技術教學和研究系主任Martin Dix博士所強調(diào)的那樣：“在采取這種冷卻策略時，針對難切削的金屬材料，尤其重要的一點便是要把冷卻定位在刀具上并進行優(yōu)化，以便對刀具重要區(qū)域進行冷卻。”