传统车削法与冷风车削法加工2WCrNi 合金的切削性能研究
2021-03-31
贺静 ,任光胜 ,张昌义
(1． 重庆大学机械传动国家重点实验室，重庆 400044；
2. 重庆成田低温加工技术有限公司 重庆400030)
摘要:本课题研究了硬质合金刀具加工2WCrNi 工件在油剂车削和冷风车削两种情况下的刀具磨损情况，提出一种新的加工方法——低温冷风加微量油车削法。通过两种方法的对比实验，探讨了低温冷风射流技术对硬质合金刀具寿命的影响，并且提出在两种情况下加工时的环境污染问题。
关键词:硬质合金刀具；低温冷风；刀具磨损；环境污染
中图分类号:TG61 文献标识码:A
Cutting performance research on traditional lathe and cool-air lathe method for machining the 2WCrNi
HE Jing REN Guangshen ZHANG Changyi
(1. State Key Lablorotory of Mechanical Transmissions,Chongqing University,Chognqing 400044,Chongqing Chengtian Low Temperture Processing Technology Limited Company,Chongqing,400030)
Abstract:This paper has studied the state of hard alloy tool abrasion when machining the 2WCrNi under the oil and cool-air conditions and put forward a new processing method------low temperature cool-air with minority of oil. Through the comparing experiments, this paper has discussed what effects that the cool-air eject stream technique have on the hard alloy tool life, while the environment pollution problem under the two experimental conditions was raised.
Keywords: hard alloy cutting tool; low temperature cool-air; tool abrasion; environmental pollution
1 课题的提出
随着高速加工技术的迅猛发展，加工过程中使用的切削液用量越来越大，其流量有时高达80～100L/min。大量切削液的使用造成了很多有害影响，如零件的生产成本大幅度提高，环境污染严重，对工人的身体健康造成危害等。
切削液是金属加工工业的主要污染源，对它的使用，ISO14000、ISO16000标准已有严格的限制。这些标准在欧洲通过执行后，各国政府都加大了对切削液污染的处罚力度，并相继出台了非常严格的切削废液的管理、限制及处罚措施。
为解决上述问题，干式、半干式切削技术已成为数控化后发达国家金属切削加工业的主要课题,相关研究进展迅速。据统计，第19界东京国际机床博览会上，日本参展的69台机床中，就有43台采用了干式、半干式切削方式，其中也包括东芝机械、三井精机、岗本工机等公司生产的用-30℃低温冷风代替切削液的立式铣床和磨床等。
从我国的国情来看，传统加工中多是80、90年代的机床，如果全部用高速全干式切削技术，对机床和刀具性能要求都很高，过去的机床全部要改进，有些还要换掉，这在目前还不可能。而冷风切削技术是MQL（微量润滑）切削技术的发展，它只在现有的基础上做些适当的改进就可进行。我国98年有专利申报，在国家创新基金资助下，2002年国产冷风射流机通过了部级鉴定。但是，一些与生产实践相关的基础性研究工作进展缓慢。
为了推进这项技术的发展，本文通过对2WCrNi合金材料的油剂车削、微量油雾化冷风车削的对比实验，探讨了冷风切削2WCrNi合金对硬质合金刀具的寿命影响以及环境污染问题。实验结果表明，在适当的冷风温度和流量前提下，通过冷风射流能显著降低刀具的表面塑性和切削温度，减少后刀面的磨损，延长刀具寿命；冷风加工还能减少污染，减少对工人身体的损害。
2 实验条件及参数
2.1 实验条件
车床：型号C 616A-1精密车床，主轴转速范围15r/min-2000r/min
刀具：，90W20-13K13机架刀，YT15硬质合金刀片
测量仪器:100倍坐标刻度显微镜。
工件材料：2WCrNi合金
2.2 冷风系统图如下：
1-空气压缩机
2-冷却器
3-过滤器
4-高级蒸发器
5-吸附干燥器
6-低温级蒸发器
7-喷嘴
8-切削油雾化器
9-旁通阀
冷风系统：
往复式空气压缩机，过滤器（滤油和尘粒），干燥机（吸水），冷风射流机。
冷源：本实验中所用的CTL-1型冷风射流机由重庆成田低温技术有限公司加工制造，采用自然复叠式制冷循环，制冷剂为混合工质。冷风温度为0~-50℃（可调），冷风压力为0.1~0.7MPa。
压缩空气流量为0.1～1.6m/min。
2.3 内冷车刀图如下：
内冷车刀图
本实验与以前做过的冷风实验的一个显著区别在于冷风是从车刀内部出来直接作用在刀尖处。这样处理的好处是：以前的冷却方式是冷风通过一个喷嘴从外部作用在刀尖处,如果喷嘴离刀尖太远，冷风流量不够；如果太近，在加工过程中从刀尖处出来的断削经常把喷嘴拨开，达不到冷却的效果。而内冷车刀完全避免了这种麻烦，正如图所示，在刀柄上面用沉头螺钉固定一铁块，冷风从刀柄侧面套入，经过刀柄上面的孔与铁块相通，再经过铁块上的斜孔，其斜度正好与刀尖对齐，最后实现冷风射到刀尖处。
3 实验方法
为避免随机误差以及切削刀具材质潜在不均匀性的影响，在相同条件下进行了2次车削对比实验，每次切削都用不同硬质合金车刀的同一个刃分别进行冷风切削和油剂车削实验，(实验前的车刀全是未使用过的新刀)每次实验均在同样的刀刃条件下进行。每一次车削都在相同直径的棒料下进行,并且机床转速和进给量保持不变。实验过程中，无论哪块刀片磨损超过0.25mm 时，视为不可用刀片，其他的刀片继续在相同条件下车削，直到磨损到0.25mm。以保证各种车削在相同切削速度下具有可对照性。
实验参数
冷风参数：温度t=-40℃,流量L=1.6m/min,压力P=0.5MPa
切削用量：
实验根据C 616A-1车床传动级数所提供的转速以及所采用的棒料直径，确定出合适的切削用量，转速：640r/min，横向进给量0.21mm/r,吃刀深度0.8mm 。
每轮切削行程长度：
L=3.14× （D-a ×2 ）÷ f×l
其中 D为棒料直径
a 为吃刀深度
f为横向进给量
l为棒料长度
刀具磨损测量标准的确定
磨损测量指标参考国际标准ISO36851993(E)中推荐的标准:
1) 刀面磨损面呈有规则的磨损时,后刀面磨损的平均高度的最大允许值VB=0.3mm;
2) 刀面磨损呈不规则磨损时,后刀面磨损的最大高度的最大允许值为0.6mm。
3) 前刀面磨损的深度的最大允许值KT=0.06+0.3f,f为进给量。
实验采用测量后刀面磨损带平均高度的方法，用标定了高度的100倍放大刻度显微镜测量。由于实验过程中当刀具磨损带平均高度超过0.25mm时，经常出现蹦刃现象，因而将后刀面磨损平均高度的最大允许值定为VB=0.25mm。此标准和国外相关实验资料中所取标准相同。
实验时，在刀具连续切削一定行程后，取下刀具测量后刀面磨损值VB，当VB=0.25mm时，累计切削的时间为刀具寿命。
4 磨损实验结果分析
4.1实验数据及图表
利用每轮实验中两种切削方式下采集的数据作出如图1、表2，并得到相关相片（照片均是在达到标定磨损限VB=0.25mm时所摄制的）。
表2 实验数据表
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油剂切削
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冷风切削
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切削行程（m）
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磨损带高度（ mm）
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切削行程（m）
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磨损带高度（mm）
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620.2
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0.08
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620.4
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0.08
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1017.8
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0.11
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1017.8
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0.11
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1730.1
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0.185
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1730.1
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0.13
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2069.7
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0.23
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2069.7
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0.13
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3232.6
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0.14
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4015.9
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0.15
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5344.7
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0.18
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5876.1
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0.23
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图1 油剂切削与冷风切削的磨损数据图
实验中获取的部分刀具磨损照片如图
图2油剂切削磨损照片 图3冷风切削磨损照片
4.2实验分析
4．2．1实验结果及分析
从图1所示的刀具后刀面磨损带高度VB与切削行程的关系曲线中可以得出：
1）在相同切削条件下，冷风切削方式的后刀面磨损带高度明显小于油剂切削方式，这说明采用冷风切削时，刀具的磨损显著减少。
2）在标准磨损限0.25mm的条件下，两次冷风切削方式平均行程为5800m，而油剂切削方式的平均行程为2050，前者约是后者的2.83倍。
3）在初期磨损阶段（VB〈0.11mm以内），冷风切削和油剂切削条件下的后刀面磨损量基本相等。初期磨损曲线的斜率较大，这是由于在初期磨损阶段影响磨损的主要是刀具本身的形态，新刃磨的刀具后刀面与加工表面的接触面积小（几乎是一条线），压应力较大，磨损较快。这说明初期磨损量与刀具刃磨质量有很大关系，此时冷风的作用不太明显。
4）在正常磨损阶段，冷风切许削的磨损带高度明显小于油剂切削的磨损高度，随着行程的延长，其差值逐渐扩大。
5）从图2、3可以看出，油剂切削刀片当刀片磨损到接近0.25mm时，出现崩刃（图2为崩刃后的刀片），磨损又重新开始，而冷风车削则刚刚进入中期磨损阶段。
4．2．2.实验过程中的有关现象分析:
由于2WCrNi材料强度和硬度都比较大，在传统加工中一般采用油剂车削,如果用干车对刀具磨损很大.
从实验过程的一些照片可以看出,油剂车削和冷风微量油车削对周围环境的影响以及对工人身体的危害区别很大:
1)冷风加微量油切削大大降低了切削区的温度,冷风持续吹向前刀面和后刀面,这就使得刀尖与工件接触瞬间温度很低,不会造成微量油的燃烧;
2)而直接加油剂车削工件强度和硬度大,加工时刀尖处和断削处温度过高,使得润滑剂产生大量的油雾,同时产生难闻的气味,工人长期在这种条件下工作,对身体造成的危害将无法估量;如下图3、4所示（照片均是在加工时拍摄）
图3油剂切削照片 图4冷风切削照片
3）据资料表明，金属加工的排污名列工业废物来源的第四位，其中传统加工方式所使用的切削液是其主要污染源之一。正如图所示，使用切削液不仅对空气造成污染，排放的废液对江、河造成污染，使得我们的饮用水被间接污染，而且对人体造成直接损害；而用冷风加微量油加工不仅节约了购买切削液的成本，更重要的是没有废液产生，也没有有毒的气体排出，对环境的危害几乎没有，更谈不上对人的伤害。
4 结论
1）低温冷风加微量的润滑油切削和油剂切削相比，可极大的减少刀具磨损，延长刀具寿命。
2）低温冷风只需要一次性投入，而不像油剂车削要不断的提供切削液、还要经过废液处理，从而节约了成本。
3）切削液加工是金属加工工业的主要污染源，而冷风切削对环境的污染几乎为零，正是响应了国际上绿色制造和清洁化加工的号召。
参考文献：
[1]周泽华.金属切削原理[M].上海:上海科学技术出版社,1993.
[2]程伟.切削加工和刀具技术的现状与发展[J].工具技术,2002,36(7):3-7.
[3]武友德,李先跃.车刀刃磨技术.北京:化学工业出版社,2004.2
[4]太原市金属切削刀具协会.金属实用刀具技术.北京:机械工业出版社,2002.6.
[5]张昌义，童明伟. 干式、半干式和低温冷风切削加工技术.机械工人,2003.9
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