冷空氣與微量液體冷卻對端銑削的影響

摘要：現代機械加工公司不斷面臨著質量和成本壓力的挑戰，以及全球對影響機械加工零件制造的社會和環境問題的日益增長的認識。為了使公司在未來保持競爭力和可持續發展，他們需要開發新的技術，以減少制造業對環境的影響。傳統觀點認為，在銑削過程中使用洪水冷卻劑來減少刀尖的熱沖擊是必要的，因為間歇冷卻會增加這種效果。由于這個原因，磨削更適合干燥，在工具尖用非常少的切削液，特別是碳質合金工具的尖。微量潤滑(MQL)在應用于末端銑削操作時的實驗并不確定有效，其原因被認為是從切割區散熱無效。本文提出的研究代表了初步的實驗，涉及開發一種合適的方法替代大量的切削流體的銑削。從切削試驗中發現，完全消除切削液并不實際：最有希望的結果是結合冷空氣和少量植物油得到的。

1. 介紹

   機械加工過程包括以切屑的形式從工件中去除不需要的材料，這是制造的主要方法之一。根據蔡爾茲等人的說法，國家的財富可以通過他們對機械加工的投資來判斷。然而，由于高度依賴傳統的液體切削液來延長工具的使用壽命，因此導致了環境、生態、健康和成本問題。眾所周知，由于流體的初始成本和流體的最終處置成本，在金屬切削過程中使用的傳統液體冷卻劑占機加工成本的17%。這表明，制造業迫切需要尋找機械加工技術，以減少冷卻劑的使用量，或完全消除它們。選擇以確定冷卻方法的有效性的加工參數是基于刀尖制造商的建議。本研究使用了一個單點銑刀來幫助分析由于多種刀具尖端的聯合中間切削作用而引起的切削作用。

   
   

   通常的末端銑削工藝使用大量的液體冷卻劑，液體冷卻劑用于增加工具壽命和提高工件表面光潔度。不幸的是，即使認識到上述的好處，一個更環保的工具冷卻方法是探尋。簡單地減少使用的冷卻劑量并不是一個可行的解決方案，因為在刀具尖端的切割作用是間歇性的，刀具尖端的熱沖擊會增加。為了將熱沖擊的后果降到最低，需要一種冷卻方法來消除在整個切割周期中產生的熱量。

   
   

   許多替代的冷卻方法已經被試驗，以幫助提高加工性能，并取得了一些成功。其中一種方法被稱為微量潤滑(MQL)，這是一個極少量的潤滑劑被壓縮空氣噴到刀具上。與車削相比，在末端銑削中使用MQL的文章很少。MQL面臨的挑戰是證明工具壽命與傳統的洪水冷卻相兼容。在車削加工試驗中，冷空氣（渦流管）和MQL已經證明提高了刀具壽命、切割力、表面光潔度和切屑形狀。本文研究了一種新的冷卻方法，即刀具不斷被冷空氣包圍，并加入MQL以減少切削摩擦。很少有報道冷空氣或MQL輔助端銑削，M.Rahman等人的一篇研究論文，研究了一種使用液霧和空氣的新型冷卻系統的設計。結果表明，在一定的切割條件下，該冷卻系統的性能優于傳統的洪水冷卻劑。例如，通過這種新的冷卻方法獲得的刀具磨損被發現低于在低進料速率和低切割速度下的洪水冷卻劑。在較高的進料速率下，工件的平均表面粗糙度較低，并且在較高的切割速度下，工件的平均表面粗糙度與洪水冷卻劑的平均表面粗糙度兼容。以往的研究[5]表明，干切削力大于洪水冷卻劑或冷凍空氣冷卻方法。本研究旨在證明不同方法在1040鋼高速端部銑削過程中延長刀具壽命的有效性和適用性。采用田口法[6]對實驗過程制定策略，優化實驗參數。這是通過使用在切割試驗中使用的切割參數的正交陣列來完成的。

   
   

2. 切割試驗和設置

   金屬切割試驗包括利德韋爾立式加工中心（V-30）、基斯特勒三分量測功計（9257BA型）和功率分析儀上的橫河CW140夾具。一個入口壓力為85psi的Airtx渦旋管（20008型）提供-5度冷凍空氣。所使用的壓縮空氣由車間空氣管道供應。MQL微量潤滑系統霧化金屬切割潤滑劑并分配到切割區，該系統的工作原理與噴霧相同，允許潤滑劑由單一空氣源噴灑，從而允許調整輸送到切割區的潤滑劑量。采用傳統的乳化切削液（Cocol超切削）進行濕式加工，所有試驗選擇的刀具為Sandvik單尖端工具（R390-012A16-1L）和涂層碳化鎢插入件(R390-11T3 08M-PL1030)。在所有試驗期間使用的所有冷卻噴嘴都保持在距離工具約25毫米。為了避免刀具跑完對側翼磨損的影響，并簡化了試驗的分析。工件被夾在測功計上，測力計又固定在垂直銑削中心的機床上。然后將切割力記錄在計算機的硬盤上，以供以后進行分析。圖1顯示了切割測試設置。

   
   

   
   

   金屬切割試驗采用三種冷卻條件進行；冷卻空氣(CA)、微量潤滑(MQL)和結合微量潤滑的冷卻空氣（CA+MQL）。最佳實踐切割路徑用于生產機加工面，確保刀具尖端沿著刀具路徑不斷去除70%的材料。在圖2所示的位置，記錄每個加工面的切割力和功率。

   
   

   
   

   圖1。加工裝置

   
   

   
   

   
   

   圖2。刀具路徑

   
   

   在本研究中，應用于切割邊緣的刀具失效標準為：

   -    災難性的故障或局部切割。

   -     側面磨損大于0.4或全邊緣斷裂。

   -     工具力和切割力的劇烈變化。

   用工具制造顯微鏡加工后檢查所有工具尖的磨損情況，并用便攜式手寫筆型表面粗糙度測試儀測量工件的表面粗糙度。

   
   

3. 結果和討論

   我們選擇了本研究中使用的切割條件（見表1）來反映典型的工作環境，以確定生產中冷卻參數的有效性。

   
   

   表1。切割試驗設置

   
   

   為了證明冷空氣與MQL結合在生產中的成功性，首先有必要測量在極端操作切割條件下的磨損。傳統的干式磨削和洪水銑削用于設置冷卻過程的基準點，因為它們是兩個極端位置。M.Rahman等人之前進行的研究。al.[7]已經證明MQL與洪水冷卻劑兼容的切割條件如下：切割速度為75至125m/min，進料速率為0.01至0.03mm/齒，切割深度(DOC)為0.35至0.7mm。圖3顯示了在進料率為0.015mm/齒時記錄的側翼磨損和表面粗糙度，以及切割深度(DOC)0.35 mm.當與生產切割條件相比時，它發現側翼磨損如預期的那樣增加了，而由于較高的切割溫度，MQL并沒有那么有效。

   
   

   
   

   
   

   圖3。由M.Rahman[4]研究的切割速度對刀具磨損和表面粗糙度的影響

   
   

   采用田口的實驗設計方法，[8]將切削試驗降低到9種條件下，同時不影響切削試驗結果的穩健性。每個實驗切割試驗的切割試驗條件和冷卻參數的組合（見表2）。列A表示冷卻參數，0表示風冷卻，1表示MQL，2表示MQL+AC。列B表示切割速度，0表示較低的切割速度，1表示推薦的刀具刀尖切割速度，2表示較高的切割速度。

   
   

   表2。正交測試陣列

   
   

   所有的切割試驗都記錄了每個試驗樣品的切割力和功率，產生了大量的數據。本文利用這些數據的提取來證明每個冷卻參數的有效性。

   
   

   從之前的研究[9]中發現，圖4(a)的一個冷空氣噴嘴與MQL結合改進了加工操作，但仍受到熱開裂的影響，降低了刀具壽命。由于刀具尖端現在在所有切割方向上被冷卻，額外的風冷噴嘴大大減少了熱開裂。

   
   

   
   

   
   

   圖4。冷卻參數

   
   

   測功機允許分析每個冷卻參數的切割力，如圖5所示，其中X（藍色）、Y（紅色）和Z（粉紅色）軸顯示了力的大小，相應的增加識別工具磨損。圖6顯示了一個測試條件（1）在冷卻參數范圍（0、1和2）上的平均力。圖6和圖7中包含了一個干式和洪水切割樣品以供參考。

   
   

   
   

   
   

   圖5。測功機輸出的典型力

   
   

   
   

   
   

   圖6。切割力

   
   

   
   

   
   

   圖7。在位置5處的樣品1的切割功率

   
   

   圖6顯示，在三個樣品中使用的三個冷卻參數中，冷空氣冷卻的切割力是最低的。然而，如圖7所示，切割功率的類似減少并沒有證明這一點。測量力和力之間的明顯差異是由于力是切割力，而力是切割力的一個矢量。最全面的說明是最有效的冷卻參數是由哪一個盡量減少刀具磨損。每個樣品加工后，在顯微鏡下檢查所有的工具針尖，并在繼續加工前拍照記錄磨損情況。刀具尖端的典型磨損如圖9所示。切割功率相對于刀具上的磨損增加，很好地表明切割性能。然而，由于金屬切割是一個非常復雜的分析系統，而不能只考慮切割力，這是一個非常復雜的分析系統。因此，在指定最佳冷卻方法時，必須包括所有重要的工具參數。

   
   

   最后對所有樣品進行表面光潔度檢測，結果表明所有樣品都處于半精加工的極限。每個樣品的磨損機理與良好的表面粗糙度數據相關，如圖8所示。

   
   

   
   

   
   

   圖8。冷卻參數表面粗糙度（μm）

   
   

   
   

   
   

   圖9。工具尖端磨損

   
   

   
   

4. 結論

   端部銑削是一種加工過程，已被證明是極其困難的，以消除傳統的切割液，因為間歇性切割行動導致熱開裂。為了減少這種影響，刀具針尖不斷被冷空氣和少量的植物油包圍，以減少切割摩擦。發熱過程的性質使得不可能消除刀具尖端內的熱應力。本研究的目的是延長干式加工的刀具壽命。雖然使用少量植物油的空氣冷卻不是一個完全干燥的過程，但它是相當接近的。有趣的是，拉赫曼先生等人。[5]發現，干切割產生的切割力更高，切割深度為0.35mm，切割速度為75m/min，而在本研究中，干切割接近風冷。與分析測功機的力讀數相比，每次切割過程中使用的功率能更直接地表明切割過程的有效性。結果表明，即使使用正常的生產切割速度、進料速率和切割深度，冷空氣+MQL也可用于提高刀具壽命。使用這種機械加工的方法有助于使金屬切割更具可持續性。需要進一步的工作來檢驗其他銑刀和材料的空氣冷卻效率。