CN101157185B - 一种多参数优化的冷却切削工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多参数优化的冷却切削工艺方法，包括在机床上装有一套液体冷却装置，在切削时开启该装置中的冷却泵，使冷却液经调节阀、液体流量计和喷嘴后喷出冷却工件，还装有一套空气冷却装置，空气压缩机将空气压缩后依次经安全阀、截止阀、温度调节器、调节阀、气体流量计、气压表、温度计和喷嘴后喷出冷却工件；气体的温度为-5～-35℃；气体压力在0.10～0.35MPa范围；不同液态介质计量为0.015～1.25ml/S，靶距调整在15～35mm范围，入射角调整在15°～45°范围，本发明能有效地提高刀具寿命三倍以上，切削力、切削热降低6％～25％，表面粗糙值降低1～2级，尺寸误差值仅为纯自然风冷切削的5.5％，降低生产成本、无环境污染。

Description

一种多参数优化的冷却切削工艺方法

技术领域

本发明涉及一种冷却切削工艺，属于机械制造的金属切削工艺技术领域。

背景技术

金属材料切削时，会产生大量的切削热，从而使切削区的切削温度升高、切削力增加，刀具磨损加剧，整个切削过程变得困难，并最终影响被加工零件的表面质量、尺寸精度和零件加工的生产率等。因此在切削加工中往往需要增加冷却液进行冷却切削，改善切削环境达到提高零件加工表面质量的目的。

目前的切削冷却工艺方法主要是使用切削液进行冷却切削，在一般机床上装有冷却泵、冷却液箱体、冷却液喷嘴及其软管；在金属切削需要冷却时，开动冷却泵，冷却泵工作并将冷却液箱体中的冷却液通过管路泵送到喷嘴，打开喷嘴后一定压力的冷却液冲刷零件被切削区域周围，起到冷却刀具、工件的作用；冷却刀具、工件后的切削液溅落在机床底盘后回流至冷却液箱体，如此往复保证了切削冷却过程不断。这种工艺方法的缺陷是：1、由于被切削材料加工难易程度不一样，为满足切削时冷却的需要，操作者仅仅凭经验来调整阀开关，控制冷却液流量的大小，从而控制切削液的冲刷量；2切削液中切屑粉末的反复夹带不利于精密加工；3、对环境造成一定的污染、生产成本很高。

在近期国内外销售的部分数控机床或加工中心中用环境空气进行冷却切削的工艺也得到一定程度应用，其工艺方法是用空压机或空气站泵送空气至机床上空气冷却喷嘴，空气经过喷嘴喷向被加工零件的切削区域后冷却刀具、工件，喷嘴喷出的空气不回收直接融入环境空气中。这种工艺方法的缺陷是：1、操作者也是凭经验通过调节开关的大小控制空气的量来满足切削时冷却的需要；2、由于空气介质换热系数小，所以其冷却效果也受到一定影响。

上述两种现有技术的金属切削冷却工艺方法都是属于粗犷式切削冷却工艺方式。目前已知的理论研究是：1、不同介质、压力、靶距、入射角等工艺参数是影响切削冷却的关键因素，2、切削液冲刷被加工零件切削区域的冷却作用若能达到汽化冷却程度其冷却效果会发生巨大变化，传统切削液的大量浇注冷却易在零件表面成膜，阻碍切削热挥发、汽化和传递，而真正能够进入切削区的液体又很少，因此冷却作用是非常有限的。

近几年，由于环境污染而开展了以“绿色”为其主要特征的先进制造技术研究，绿色冷却切削就是该研究之一。由于不断涌现新的被切削材料使切削加工的难度增加，被加工零件的尺寸精度、尺寸稳定性有了更高的要求，这对切削冷却效果、冷却工艺的集约方式都有新的需求。

发明内容

技术问题  本发明的目的主要是解决现有粗犷式切削冷却工艺方法所存在的不足，发明具有不同介质共同作用，不同介质计量最佳化，有关压力、靶距、入射角等工艺参数优化区域合成形成的一种特殊的多参数优化的绿色冷却切削工艺方法。

技术方案  本发明采用的技术方案是：包括在机床上装有一套液体冷却装置，在切削时开启该装置中的冷却泵，使冷却箱中的冷却液经调节阀、液体流量计和喷嘴后喷出冷却工件，在机床上还装有一套空气冷却装置，冷却切削工艺步骤依序是：

a、先装夹好工件，将喷嘴对准刀具的切屑流经表面；然后开动机床，打开喷嘴；切削时该空气冷却装置中的空气压缩机将空气压缩、冷却后依次经安全阀、截止阀和温度调节器；

b、调节温度调节器，使喷出气体的温度为-5～-35℃；再调节气体流量计使气体压力在0.10～0.35Mpa范围；从温度调节器出来的空气依次经调节阀、气体流量计、气压表、温度计和喷嘴后喷出冷却工件；

c、调节液体流量计使不同液态介质计量为0.015～1.25ml/S，将切削区至喷口的靶距调整在15～35mm范围，入射角调整在15°～45°范围；

d、边切削边根据切削区温度、切屑流向的情况来调整气体压力、液态介质计量、靶距和入射角的数值。

有益效果本发明的有益效果是：1、通过液体冷却装置和空气冷却装置的共同作用，同时确定了切削时的压力、温度、流量、靶距、入射角工艺参数的范围，形成一种特殊的多参数优化的绿色冷却切削工艺，在行业上具有重要的意义和推广价值。2、在同等条件下与采用冷却液冷却切削相比，能有效地提高刀具寿命三倍以上，切削力、切削热降低6％～25％，表面粗糙值降低1～2级，尺寸误差值仅为纯自然风冷切削的5.5％，降低生产成本、无环境污染。

附图说明

图1是本发明的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明在机床上原有安装的一套液体冷却装置的基础上再另装一套空气冷却装置。先装夹好工件12，将喷嘴11对准刀具13面；然后开动机床，打开喷嘴11，开启该装置中的冷却泵，使冷却箱中的冷却液14(冷却介质可以是水、植物油、冷却液等)，经调节阀10、液体流量计9到喷嘴11冷却工件12。再在机床上装一套空气冷却装置，该装置中的空气压缩机1将空气压缩后依次经安全阀2、截止阀3、温度调节器4、调节阀5、气体流量计6、气压表7、温度计8后到喷嘴11喷出后冷却工件12，在此过程中可进一步精调至和被切削材料切削温度相适应的气体温度和压力后进入喷嘴11；气体和液体介质经喷嘴11混合后喷出后实施对工件12切削区的冷却。

在切削时要调整装置的参数使其优化，先调节温度调节器4，使喷出气体的温度为-5～-35℃；再调节气体流量计6使气体压力在0.10～0.35Mpa范围；调节液体流量计9使不同液态介质计量为0.015～1.25ml/S，将切削区至喷口的靶距h调整在15～35mm范围，入射角α调整在15°～45°范围。最后边切削边根据切削区温度、切屑流向的情况来调整气体压力、液态介质计量、靶距和入射角的数值，使切削过程达到最佳。在这里气体或液体介质所占份额都可以从零到计量仪器允许的数值变化，以便通过不同份额配比调控到本发明所公布的优化值域去实施本发明的多参数优化的绿色冷却切削工艺。

上述的空气压缩机1实质是一个冷风发生装置该装置采用实用新型专利ZL00221237.4、名称是“一种无污染的金属切削气体射流冷却装置”中公开的设备，该装置能根据实验要求提供不同温度、不同压力的气体作为气体射流的主体动力和气体介质。

本发明在操作时的注意事项是：

1.本发明靶距优化区域是指切削区至喷口的距离，材料的切削加工性系数越小取值越趋向于本发明公布的值域小的一侧；

2.本发明气体温度优化区域主要用于切削加工黑色金属材料时的冷却，尤其指具有低温脆性性质材料的半精加工和精加工切削时使用，且材料的切削加工性系数越小取值越趋向于本发明公布的值域负值偏大的一侧；有色金属材料和黑色金属材料粗加工时可以不使用人工冷却或高于本发明气体温度范围的气体冷却切削；

3.本发明入射角优化区域主要是指切屑流经刀具的切平面(也可以取前刀面所在平面)与喷嘴喷射中心线之间夹角，且材料的切削加工性系数越小取值越趋向于本发明公布的值域偏小的一侧；当从后刀面喷射时本发明入射角优化区域是指切削平面与喷嘴喷射中心线之间夹角；

4.本发明不同液态冷却介质计量0.015ml/S～1.25ml/S主要指在以气体射流为动力的冷却切削时，添加水、冷却液等换热系数大的液态介质的量的多少，且当切削区的切削温度越高时越偏向于取大值；切削冷却时植物油、矿物油的添加主要起润滑、防锈和减摩作用，因此添加量比较小，使用中一般取小值；液态冷却介质添加可以与气体一同进入喷嘴混合腔、经内混合后喷出喷嘴洒向切削区，也可以在气体喷出喷嘴后经外混合形式随气体喷向切削区；

5.本发明气体压力在0.15Mpa～0.35Mpa是指经温度调节器4冷却后输送给喷嘴，喷嘴喷射的压力；通常被切削材料强度较高时取大值，反之亦然；

6.注意当切削区切削温度低于150℃左右时宜使用气体+植物油的冷却切削、当切削区切削温度高于150℃左右时使用气体+水或冷却液+植物油的冷却切削的成本低。

下面通过3个实施例对本发明再作详细说明：

实施例1

本发明的被切削材料是45钢、调质达26HRC，直径D＝75mm，其工艺步骤依序如下：

a.装夹工件、选定切削三要素、选用机夹YT15刀片，将冷却有关的参数调整到上述优化区域、并将喷嘴对准前刀面(也可后刀面或前、后刀面同时)；

b.开动机床、打开喷嘴，调节温度调节器4使喷出的气体温度于-10℃、气体压力在0.15Mpa、调节不同液态介质(此处主要用冷却液)计量达0.020ml/S，切削区至喷口的靶距控制在30mm左右；

c.刀具进入切削，通过切屑颜色观察切削区温度、也可以用仪器记录切削温度，当切削过程轻松、切屑呈现银白色从前刀面流出并流向待加工表面时说明切削过程良好；若切削过程不稳定，切削温度偏高则首先调高不同液态介质计量、同时微量降低气体温度，此时切削温度会有明显下降，切削过程恢复良好；

d.观察切削过程中切屑流经前刀面情况，在气体喷向切屑和前刀面之间切面时、切屑与前刀面接触未端应有离开的情况，处于若离若接状态；此时，切屑与前刀面的接触长度减少，冷却介质更易接近切屑与前刀面接触的刀尖处，使得本发明工艺效果更好；

e.观察切削过程中切屑流向，切削过程中切屑流向待加工表面将不会损伤被加工工件的已加工表面，若并非如此，则主要调正靶距、入射角，可以扩大靶距、入射角，使入射点落在切屑流经前刀面的未端并略高于前刀面约1～4mm，以气流冲击力使切屑流向待加工表面并产生切屑有离开前刀面、处于若离若接状态为佳；

f.维护切削过程中切削温度稳定，保证切屑流向待加工表面、并产生切屑未端和前刀面若离若接状态，切削过程轻松、切屑呈现银白色从前刀面流出；就可以使被加工零件的加工尺寸稳定、表面质量好、刀具耐用度高。

g.刀具离开工件，若按相同切削三要素即时投入原工件切削则不关闭喷嘴；若改变切削三要素引起切削温度大幅升高，则需重复c、d、e、f工艺步骤维护切削过程中切削温度稳定。若更换被切削零件则关闭喷嘴。

此时被切削零件的尺寸精度能控制在IT7～IT8、Ra值2.8～3.5。

实施例2

本发明的被切削材料是GCr12钢、淬火达58HRC，直径D＝76mm，材料的强度高、硬度高属于难加工材料，其工艺步骤依序如下：

a.装夹工件、选定切削三要素、选用机夹WAP30刀片，将冷却有关的参数调整到上述优化区域、并将喷嘴对准前刀面(也可后刀面或前、后刀面同时)；

b.开动机床、打开喷嘴，调节喷出的气体温度于-25℃、气体压力在0.30Mpa、调节不同液态介质(此处主要用冷却液+微量植物油)计量达1.000ml/S，切削区至喷口的靶距控制在25mm左右；

工艺步骤c、d、e、f、g相似于切削45钢，其区别主要有：

c.刀具进入切削，切削温度偏高则首先降低气体温度，适量调高不同液态介质计量，此时切削温度会有明显下降，切削过程恢复良好；

d、e.步骤中：若气体喷向切屑和前刀面之间切面时、切屑与前刀面接触末端不处于若离若接状，则应首先进一步调短靶距，其次增大气体压力、入射角，入射角的入射点落在切屑流经前刀面的未端比切削45钢应略高。此时易于达到切屑流向待加工表面、并产生切屑有离开前刀面、处于若离若接状态；

此时被切削零件的尺寸精度能控制在IT7～IT6、Ra值2.8～2.5。

实施例3

本发明的被切削材料是Cr12钢、淬火达52HRC，直径D＝82mm，材料的强度高、韧性大，切削时切屑有粘性、不易断屑，其工艺步骤依序如下：

a.装夹工件、选定切削三要素、选用机夹YW1刀片，将冷却有关的参数调整到上述优化区域、并将喷嘴对准前刀面(也可后刀面或前、后刀面同时)；

b.开动机床、打开喷嘴，调节喷出的气体温度于-30℃、气体压力在0.30Mpa、调节不同液态介质(此处主要用冷却液+微量植物油)计量达0.800ml/S，切削区至喷口的靶距控制在25mm左右；

工艺步骤c、d、e、f、g相似于切削45钢，其区别主要有：

c.刀具进入切削，切削温度偏高则首先降低气体温度，适量调高不同液态介质计量，此时切削温度会有明显下降，切削过程恢复良好；

d、e.步骤中：若气体喷向切屑和前刀面之间切面时、切屑与前刀面接触未端不处于若离若接状，则应适当增大气体压力，其次适当调短靶距、降低入射角，入射角的入射点落在切屑流经前刀面的未端比切削45钢应略低。此时易于达到切屑流向待加工表面、并产生切屑有离开前刀面、处于若离若接状态；

此时被切削零件的尺寸精度能控制在IT7～IT6、Ra值2.8～3.2。

Claims (1)

1.一种多参数优化的冷却切削工艺方法，包括在机床上装有一套液体冷却装置，在切削时开启该装置中的冷却泵，使冷却箱中的冷却液(14)经调节阀(10)、液体流量计(9)和喷嘴(11)后喷出冷却工件(12)，其特征是：在机床上还装有一套空气冷却装置，冷却切削工艺步骤依序是：

a、先装夹好工件(12)，将喷嘴(11)对准刀具(13)的切屑流经表面；然后开动机床，打开喷嘴(11)；切削时该空气冷却装置中的空气压缩机(1)将空气压缩、冷却后依次经安全阀(2)、截止阀(3)和温度调节器(4)；

b、调节温度调节器(4)，使喷出气体的温度为-5～-35℃；再调节气体流量计(6)使气体压力在0.10～0.35Mpa范围；从温度调节器(4)出来的空气依次经调节阀(5)、气体流量计(6)、气压表(7)、温度计(8)和喷嘴(11)后喷出冷却工件(12)；

c、调节液体流量计(9)使不同液态介质计量为0.015～1.25ml/S，将切削区至喷口的靶距(h)调整在15～35mm范围，入射角(α)调整在15°～45°范围；

d、边切削边根据切削区温度、切屑流向的情况来调整气体压力、液态介质计量、靶距和入射角的数值。

Images