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毫無疑問，在對(duì)鈦、鎳合金和高強(qiáng)度鋼以及碳素纖維材料(CFK)進(jìn)行高效切削時(shí)，傳統(tǒng)的溢流冷卻潤滑劑往往會(huì)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(duì)此可以提供幫助。“采用帶有現(xiàn)代冷卻潤滑技術(shù)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(qiáng)切削作業(yè)的安全性。”Iscar公司鏜削產(chǎn)品經(jīng)理Herbert Volk認(rèn)為，帶有內(nèi)冷卻的鏜刀的加工能力更強(qiáng)，“基本上帶有內(nèi)冷卻的鏜刀會(huì)更受歡迎。”他指出，對(duì)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(dǎo)入的話，就無法保證整個(gè)加工過程達(dá)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(huì)明顯變差。

圖1 ?帶有定向冷卻功能的ISO車削刀具

“切屑形成區(qū)域上的直接冷卻，切屑排放的進(jìn)一步優(yōu)化和冷卻，沖洗能耗的進(jìn)一步降低，這些都是刀具研發(fā)工作的目標(biāo)所在。”在位于杜塞多夫的Sandvik Tooling Deutschland公司負(fù)責(zé)圓形刀具與卡盤的產(chǎn)品經(jīng)理Markus Groppe博士強(qiáng)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(yīng)用場(chǎng)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(dāng)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(jià)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(fù)責(zé)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(duì)工件表面的影響。”后續(xù)研發(fā)工作的目標(biāo)便是要把這些效果應(yīng)用到其他等級(jí)的刀具上。

當(dāng)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(fù)雜的成型刀具和其他一些在直徑和結(jié)構(gòu)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(jìn)行研發(fā)。”Krieg補(bǔ)充說，“當(dāng)然，可制造性也是我們所關(guān)注的一個(gè)方面。”

圖2 專為在鋼材上快速鏜孔而設(shè)計(jì)：好的切屑通道造型可以優(yōu)化切屑形狀并改善切屑排放過程

“總的來說，內(nèi)冷卻硬質(zhì)合金刀具可以達(dá)到較高的切削數(shù)據(jù)。當(dāng)鏜孔深度超過4×D時(shí)，這種刀具也有助于切屑的排放并實(shí)現(xiàn)較長的使用壽命。”Walter公司的高級(jí)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(fù)責(zé)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(dá)到冷卻劑最大傳送量的冷卻孔徑與刀具具備足夠的強(qiáng)度之間的最佳匹配。此外，我們還對(duì)冷卻孔出口的位置(特別是當(dāng)采用特殊刀具時(shí))和微量潤滑刀具的冷卻孔截面及出口進(jìn)行優(yōu)化。”對(duì)于在何種場(chǎng)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(chǎng)合，幾乎只使用內(nèi)冷卻刀具，這是因?yàn)槲ㄓ型ㄟ^把冷卻劑定向輸送到加工位置上并且加強(qiáng)對(duì)切屑的排放，才能確保實(shí)現(xiàn)較高的切削效率。”在采取微量潤滑策略時(shí)，則尤為如此。

“對(duì)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(guān)重要的，這是因?yàn)榍行贾挥型ㄟ^冷卻劑從鏜孔中帶出。”TBT公司鏜孔刀具業(yè)務(wù)部經(jīng)理 Jürgen Bek介紹道。在孔深為250×D以下時(shí)，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(duì)冷卻孔的大小和形狀進(jìn)行優(yōu)化。”對(duì)此，切屑通道在開口角度和形狀方面的優(yōu)化不容忽視。

“實(shí)際工作表明，內(nèi)冷卻刀具一方面能夠?yàn)橛脩魩�來�?jīng)濟(jì)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(shí)，采用傳統(tǒng)冷卻方式的冷卻劑往往無法到達(dá)刀刃的位置，而采用內(nèi)冷卻方式則可達(dá)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(dá)到的場(chǎng)合，內(nèi)冷卻銑刀則可以充分發(fā)揮出其優(yōu)勢(shì)，這是因?yàn)殂姷锻�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(chǎng)合均采用內(nèi)冷卻銑刀作為技術(shù)標(biāo)配。”

Jakob Lach公司與Audi公司的合作研發(fā)工作推進(jìn)了鋁材切削技術(shù)能力：一種帶有切屑引導(dǎo)功能的內(nèi)冷卻整體PKD銑刀。“把通過PKD切削面所引導(dǎo)的冷卻液流與切屑排放功能集合在一個(gè)刀具上的技術(shù)方案，對(duì)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(shí)現(xiàn)用戶希望達(dá)到的極高的切削速度和進(jìn)給量，“不僅如此，冷卻劑導(dǎo)入整體銑刀可以攜帶多套PKD刀片，因?yàn)樵谇邢髯鳂I(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(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)間已經(jīng)下降50%以上。

圖3 內(nèi)冷卻方式對(duì)刀具的使用壽命、切屑排放和表面質(zhì)量均產(chǎn)生積極的影響

在設(shè)備上需要滿足的條件

在設(shè)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(zhuǎn)速和20?000~40?000?mm/min的進(jìn)給量。

高效切割的目標(biāo)當(dāng)然尚未達(dá)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(shí)間切割量并降低刀具的磨損程度。針對(duì)鏜削作業(yè)的內(nèi)冷卻，例如Chemnitz TU大學(xué)機(jī)床和生產(chǎn)工藝學(xué)院(IWP)目前就在研究如何采用CO2來實(shí)現(xiàn)高效冷卻的策略問題，正如切削技術(shù)教學(xué)和研究系主任Martin Dix博士所強(qiáng)調(diào)的那樣：“在采取這種冷卻策略時(shí)，針對(duì)難切削的金屬材料，尤其重要的一點(diǎn)便是要把冷卻定位在刀具上并進(jìn)行優(yōu)化，以便對(duì)刀具重要區(qū)域進(jìn)行冷卻。”

圖4 在開槽口時(shí)，采用傳統(tǒng)冷卻方式無法觸及刀刃位置，而采用內(nèi)冷卻方式則可達(dá)到最佳效果，并使刀刃的壽命提高6倍

低溫冷卻可以實(shí)現(xiàn)無潤滑劑的高效鏜削作業(yè)和較長的刀具使用壽命。為了提高加工效益，需要采取有效的保溫措施并對(duì)冷卻劑液流進(jìn)行匹配。在刀具上的熱量分布方面，冷卻通道及其出口的位置非常關(guān)鍵。“這是因?yàn)槭紫裙ぜ��?huì)得到冷卻。”Dix博士解釋說，“因此工件的硬度會(huì)上升，由此在大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合中刀具的切削力和磨損程度都會(huì)隨之增加。”唯有在加工塑料材料時(shí)，同時(shí)冷卻工件的做法才有意義，這是因?yàn)檫@種做法可以有效提高材料的可切削性。