低溫冷風射流技術在滾齒加工中應用的試驗研究*

張根保 尉紅軍 張 博

(重慶大學機械工程學院,重慶 400044)

金屬切削中,刀具與切屑和工件的新鮮表面相互接觸,劇烈的變形和摩擦產生大量的切削熱,這直接導致了工件表面質量惡化,并加劇了刀具磨損。因此,在高速金屬加工中,要提高工件表面質量和改善刀具磨損狀況,根本措施是對切削區實施有效冷卻和潤滑。而目前金屬加工大多是大量使用油劑切削液來達到冷卻和潤滑的目的。這一方面造成了資源和能源的巨大浪費(據統計,在集中冷卻加工系統中,冷卻液占總成本的14% ～16%,刀具成本只占2% ～4%)[1];另一方面對環境產生嚴重污染,甚至危害工人健康。

低溫冷風切削是冷風以射流方式強烈沖刷切削區的一種加工方法,由日本的橫川和彥教授最早提出[2]。試驗研究表明它可以顯著均勻地降低加工區、刀具及工件的溫度,有效地抑制刀具磨損,提高刀具耐用度,還可以節約切削液的購入費用及其相關的設備費用和維護費用,對環境無污染。文獻[3]對在干切、常規油冷切削和液氮狀態下車削Ti-6Al-4V時硬質合金刀具磨損機理進行了試驗研究,結果表明粘結、擴散是硬質合金刀具的主要磨損機理。文獻[4]采用微量油潤滑和低溫冷風切削方式對高硅鋁進行了車削試驗研究,結果表明使用-30℃冷風和微量霧化植物油的方法,可以有效減少刀具磨損和提高加工表面質量。文獻[5]通過對45鋼的干切和低溫冷風切削對比試驗,探討了低溫冷風切削對切削折斷的影響。

滾齒加工為斷續切削,在高速下滾刀刀齒與工件的接觸時間極短,同時由于模態沸騰現象的存在,常規油劑切削液的冷卻和潤滑效果很不理想。故本文進行了45鋼的低溫冷風和常規油冷滾齒加工的對比試驗,以解決能否利用低溫冷風射流控制切削區的高溫這一問題,目前的文獻尚未有此方面的研究。同時為真正體現低溫冷風在技術上的差異性和優越性,采用正交試驗法,進行了低溫冷風加工最佳切削參數確定試驗,并對冷風溫度、軸向進給量和微量潤滑對齒面粗糙度影響的顯著度進行了分析,為冷風射流技術在滾齒上的推廣應用提供了試驗依據。

1 試驗方案及結果處理

1.1 試驗條件

試驗機床:YK3610臥式小模數數控滾齒機,主軸轉速范圍550～4000 r/min,本試驗始終設定n=1000 r/min;試驗刀具:YG6X硬質合金滾刀,m=1.25 mm,外徑 φ=32 mm,α=20°,右旋,β=17°,精度等級 AA級;試切零件:45號碳素結構鋼,正火σb=600 N/m2,σs=355 N/m2,δs＞16%,φ＞40%;冷風設備:冷源采用HL630型冷風射流機,采用自然復疊式制冷循環,制冷劑為混合工質,自帶可控微量油裝置(霧化器),溫度為0～-60℃(可調),冷風壓力為0.6 MPa,壓縮空氣流量0.4 Nm3/min,設定均為定值。其中磨損寬度VB是由Nikon SMZ1500體視顯微系統測量得到;齒面粗糙度Ra是由德國霍梅爾T1000粗糙度輪廓儀測量得到。由于噴嘴與刀具之間的距離和角度對加工時的冷卻效果有十分明顯的影響,故試驗采用如圖1的冷風裝置布局。其中冷風噴嘴被固定在滾刀主軸外殼上,即能隨滾刀主軸同步移動和旋轉,兩個噴嘴分別對準滾刀前刀面和后刀面,以保證對整個加工區域能夠充分冷卻。圖2為加工實況圖。

1.2 低溫冷風和常規油冷切削對比試驗

以刀具后刀面磨損量VB和齒面粗糙度Ra為考察對象,進行了常規油冷切削和-25℃冷風干切削的對比試驗。常規油冷切削時的室溫為25℃。

在軸向進給量f=0.3 mm/r,滾刀轉速n=1000 r/min,冷風溫度為t=-25℃時,兩種切削方式下,各切削10件工件,滾刀標定的刀齒后刀面磨損最大寬度VBmax變化曲線如圖3,工件齒面粗糙度Ra如圖4。圖3可看出,切削10件后,常規油冷切削的標定刀齒后刀面磨損量VBmax為0.58 mm,冷風干切的VBmax為0.4 mm,與前者相比VBmax減小了0.31%。從圖4中結果可看出,冷風干切削獲得的齒面粗糙度Ra較小,Ra的值保持在1.0 μm附近,且波動較小。而常規油冷切削所獲得齒面粗糙度Ra較大,且變化幅度也大。

1.3 低溫冷風加工最佳切削參數確定試驗

與常規油冷切削相比,低溫冷風切削能夠顯著抑制刀具磨損和減小齒面粗糙度值,為此以齒面粗糙度Ra為考察目標,采用正交試驗法,進行了低溫冷風加工最佳切削參數確定試驗。試驗旨在探明冷風溫度的高低和有無微量潤滑對齒面粗糙度產生影響;同時由于滾齒加工中進給量的大小直接影響工件表面質量和滾齒加工的效率,故把進給量列為考察因素。

表1 正交試驗因素水平表

表2 正交試驗表頭及試驗結果

正交試驗法采用規格化正交表為工具,科學合理地安排試驗,在遵循“均衡搭配”原則的基礎上通過盡可能少的試驗次數,得出最優的試驗方案。本試驗需要考慮3個因素,每個因素3個水平,選用正交表L9(34)。暫時不考慮因素間的交互作用(即把各因素間的交互作用合并到誤差列)。表1為因素水平表;表2為正交表L9(34)表頭及試驗結果。其中潤滑只有2水平,采用擬水平法添加一個水平。微量潤滑的流量Q設定為20 ml/h。

表2中,K1、K2、K3這三行的數值分別為各因素的第1、2、3水平所在的試驗中對應的齒面粗糙度值之和,k1,k2,k3這三行的數值分別是各項和值的平均值。R為同一列中k1,k2,k3的最大值減去最小值所得的差,即極差。極差越大,說明此因素水平改變對試驗結果的影響越大。

根據表2中的極差值,通過直觀分析,可以知道A、B、C各因素水平的最佳搭配為A3,B2,C1,即冷風溫度-45℃、進給量0.3 mm/r、有微量潤滑。但可以觀察到冷風溫度在-35℃和-45℃時的粗糙度值Ra相差甚微,僅有0.02 μm。從經濟性考慮,我們可以認為本試驗的最佳因素搭配為冷風溫度-35℃、進給量0.3 mm/r、有微量潤滑。

為排除試驗過程中以及試驗結果測定中必然存在的誤差干擾,提高分析精度,對試驗結果進行了更為全面、精確的方差分析。由方差分析計算出因素A、B、C各自的F比(見表3),通過查詢F函數臨界值對比得出因素A和C,即冷風溫度的高低和有無微量潤滑對齒面粗糙度Ra的影響最為顯著,而進給量的變化對Ra影響并不顯著。由因素的貢獻率公式[6]:

式中:Sj與fj分別表示試驗因素的偏差平方和與自由度;Se與fe分別表示誤差的的偏差平方和與自由度。從計算結果來看,其中冷風溫度高低對齒面粗糙度Ra的貢獻最大,為62.37%,緊接著是微量潤滑和進給量,分別為22.34%和10.02%。試驗中誤差的貢獻率僅為5.27%,證明了本次正交試驗是成功的,且表明了試驗因素間的交互作用的影響很小,可以忽略。

表3 方差分析結果

2 試驗結果分析

1.2 節的試驗結果顯示,與常規油冷切削相比,-25℃冷風切削獲得了較小的刀具磨損和良好的加工表面質量。這是因為,在金屬切削加工中,切削時所作的功大多用于切削材料的變形、切斷和產生切屑,以及刀具和加工表面之間的摩擦。其中功絕大部分轉化為切削熱,使工件和刀具的溫度上升。由于刀具的刀尖部分強度弱和散熱條件差,刀尖磨損加劇。滾齒加工為斷續切削,刀具是在不斷變化的高溫、高壓和強烈摩擦的條件下工作,刀具磨損很快。而刀具磨損是機械、化學和熱的三種作用的綜合結果,主要表現為刀具熱磨損中的硬質點磨損、粘結磨損和擴散磨損。研究表明硬質合金刀具切削中碳鋼主要是粘結磨損[6]。從圖5的滾刀刀尖磨損對比圖可知,常規油冷切削10件工件后刀尖處形成了微崩刃和較嚴重的月牙洼,說明切削時發生了嚴重的粘結磨損,而在冷風工況下的刀尖并未發生此現象。因為由傳熱基本方程(牛頓冷卻公式)[7]:

式中:Φ為熱流量;A為換熱面積;h為表面傳熱系數;Δt為冷熱體溫差。

可知,低溫氣體依靠比液體強很多的滲透能力,更易進入切削區,即增大了動態換熱面積和提高了刀具和冷卻劑(冷風)的溫差,具有冷卻針對性和強迫性,強化了散熱條件,從而能夠有效地降低切削點的溫度,防止刀具軟化,減少刀具熱磨損。

滾齒加工中,刀齒在擠裂或崩碎切屑時,會造成已加工齒面的凹凸不平,對于磨鈍的刀具此現象尤為嚴重,還會使切削時的振動加劇,甚至發生顫振,使工件表面質量惡化。低溫冷風能夠為切削區提供一個更為穩定的溫度場,且冷風切削時刀具磨損較小,確保切削過程平穩,工件表面質量一致性好。故工件齒面粗糙度值Ra的波動性較常規切削要小

正交試驗的結果顯示,冷風的溫度對工件齒面粗糙度有著最為明顯的影響。從圖2中可以看到,冷風溫度在從-25℃降低到-35℃時,齒面粗糙度值的減小最明顯,說明盡管-25℃冷風已經可以對切削區實施冷卻,但是還不能充分地帶走切削熱;冷風溫度從-35℃到-45℃時,粗糙度值Ra的變化已不明顯。可以認為-35℃以下的冷風已能夠對切削區實施充分的冷卻,控制切削區溫度穩定在一個相對較低的水平,此時隨著冷風溫度繼續降低,齒面粗糙度已無明顯提升。

從正交試驗的結果可得出,冷風下微量潤滑也對工件齒面粗糙度的提升有著十分顯著的作用。在常規油劑切削時切削液以澆注形式供給,切削區在工件塑性變形及刀屑摩擦作用下,溫度迅速提高,刀尖處的氣體受熱膨脹,刀尖和廢屑形成的楔形角受微尺寸效應影響會阻止切削液到達刀具和切屑的接觸面,從而形成切削液不能到達的空隙(刀面空隙、刀尖空隙),導致潤滑效果變差,見圖6a。微量潤滑油霧化裝置使潤滑油形成微小的霧粒,并以高速噴射至加工區域,由于霧粒的體積小、速度大,所以很容易到達刀-屑和刀-工件的接觸面,也就消除了常規油劑澆注式切削形成的刀面及刀尖空隙,見圖6b。

同時,低溫冷風微量潤滑切削的冷卻潤滑效果不僅僅是單純的對流熱遷移,還在于其微量潤滑劑能在切削副之間迅速形成潤滑薄膜,以減少摩擦、抑制切削熱。根據“切削區滲透的毛細管幾何模型”和“微滴爆炸”模型認為,切削液滲入到毛細管內分兩階段:第一階段是液相滲入,然后微滴爆炸蒸發;第二階段是氣相充填毛細管滲入切削區。切削液能夠對切削區實施有效潤滑必要條件為切削液滲透毛細管的總時間必須要小于毛細管的存在時間。在滾齒加工中,滾刀高速旋轉,毛細管存在時間是極短的,這就要求切削液必須能夠快速滲透毛細管。這一點常規油冷切削很難實現;而用冷風切削時,冷風攜帶極小的油霧顆粒高速噴射向切削點,不需要液相滲入階段,即直接進入氣相充填毛細管實現直接滲入切削區階段。因此,低溫冷風微量潤滑比傳統油冷切削更容易在刀-屑和刀-工件表面形成潤滑薄膜,減少刀具磨損,提高工件表面質量。

與冷風溫度相比,冷風下進給量的變化對齒面粗糙度的影響相對較小,如圖7所示,在-35℃溫度以下,進給量變化帶來的齒面粗糙度Ra的波動已經很小,其中以0.3 mm/r最小。同時也再一次證明了-35℃冷風已經能夠對切削區實施充分的冷卻。故與常規油冷切削相比,冷風切削時,可以采用更高的進給量來提高加工效率。

3 結語

通過對低溫冷風與常規油冷切削的對比試驗研究以及冷風工況下最佳切削參數確定的正交試驗研究,可以得出以下結論:

(1)對滾齒這種斷續切削加工,常規油劑冷卻效果很不理想。與之相比,-35℃以下的低溫冷風能夠對切削點實施更為有效的強制冷卻和潤滑。冷風冷卻效果有隨著冷風溫度降低而提高的趨勢,但試驗中當溫度低于-35℃時,冷風冷卻效果的提升已經不再顯著,基于成本的考慮,選用-35℃冷風作為切削溫度。

(2)低溫冷風工況下,微量潤滑油對齒面粗糙度有十分積極的提升作用。微量潤滑油在高速冷風射流下,具有極強的滲透和吸附能力,能迅速滲入刀-屑和刀-工件表面之間的新鮮表面形成潤滑薄膜,緩解摩擦,抑制切削熱的產生。

(3)低溫冷風工況下,進給量變化對齒面粗糙度影響并不顯著,可選用較高進給量來提高加工效率。

(4)極差分析結果顯示,本試驗最佳切削參數為冷風溫度-35℃,有微量潤滑和進給量0.3 mm/r;方差分析的結果顯示,冷風溫度大小對齒面粗糙度Ra的貢獻最大,其次是微量潤滑劑,進給量最小。本試驗誤差的貢獻率僅為5.27%,證明了正交試驗是成功的,且表明試驗各因素之間的交互作用很小,可以忽略。

[1]王西彬.綠色切削加工技術的研究[J].機械工程學報,2000,36(8):6-9.

[2]橫川和彥,奧村成史.冷ドツシングが冷研削に及ばす影響[J].機械技術,1998,46(13):12-17.

[3]K.A.Venugopal,S.Paul,A.B.Chattopadhyay.Tool wear in cryogenic turning of Ti-6Al-4V alloy[J].Cryogenics,2007,47:12-17.

[4]陳德成,鈴木康夫,酒井克彥.微量潤滑油潤滑和冷風冷卻加工法對高硅鋁合金切削面的影響[J].機械工程學報,2000,36(11).

[5]楊穎,童明偉,嚴興春,等.低溫冷風射流對斷屑影響的實驗[J].重慶大學學報,2004,27(5):74-77.

[6]任露泉.試驗優化技術[M].機械工業出版社.1986.

[7]楊世銘,陶文銓.傳熱學(三版)[M].北京.高等教育出版社,1998.