內冷式高壓冷卻車刀切削性能的研究

于葉強，劉潤愛，郭文亮

（太原理工大學機械與運載工程學院，山西 太原 030024）

1 引言

304 不銹鋼的導熱性差，切削加工過程中會在刀具切削刃處、刀-屑間和刀具-工件間產生極高的溫度，又由于刀尖承受較大的切削力，高溫高壓下，易產生溝槽磨損[1]。同時，304 不銹鋼在切削過程中容易產生積屑瘤粘結在切削刃上，這種情況通常會引起擠屑和切屑的再切削效應，大大降低了刀具的切削性能。此外，切屑的卷曲折斷和高效控制對于自動化制造的發展、加工效率的提高、生產安全性起著重要的作用。由文獻[2-4]可知，高壓冷卻液能夠顯著降低切削溫度，減少刀具磨損，提高刀具壽命，促進切屑卷曲折斷。針對304 不銹鋼的難加工特性，設計新型的內冷式高壓冷卻車刀[5]（刀頭結構如圖1 所示），并自行設計制備高壓冷卻系統，理論結合實踐探討分析內冷式高壓冷卻車刀對切削過程的優化作用。

圖1 刀頭結構Fig.1 Structure of the Cutting Tool

2 內冷式高壓冷卻斷屑機理的研究

切削過程中的常規冷卻與高壓冷卻作用效果，如圖2 所示。在金屬切削過程中，切削熱通常集中在切屑與前刀面之間，溫度非常高，常規冷卻切削過程中，當切削液達到切削區域將立刻蒸發，形成高壓隔熱蒸汽層，這就是萊頓弗羅斯特效應，即切削液不會潤濕高壓刀-屑-工件切削系統表面，而是在切削系統高溫表面上方形成一個蒸汽層，這就大大減緩了冷卻液與刀-屑-工件系統之間的熱量傳遞。此外，在金屬切削過程中刀-屑接觸界面處存在非常高的接觸壓力，常規的冷卻液澆灑方式根本無法將冷卻液輸送到這個區域，難以得到很好的冷卻效果。而內冷式高壓冷卻車刀噴射的冷卻液因高壓作用具有較高的穿透力，可以有效地克服萊頓弗羅斯特效應，使得切削區域的冷卻液不再以氣霧狀態存在，而且高速射流保持的液態狀態，很容易穿透并冷卻主要發熱區域，能夠更高效地冷卻刀片和優化切屑控制，使冷卻潤滑持續高效。

圖2 常規冷卻切削與內冷式高壓冷卻切削Fig.2 Cutting of Conventional Cooling and Internally Cooled High-Pressure Cooling

刀具壽命和工件表面完整性方面取決于刀-屑間的溫升和摩擦。內冷式高壓冷卻車刀是將具有一定壓力的冷卻液通過刀體和刀片上小孔的引導噴射至切屑底層，正好是切屑與車刀前刀面接觸的位置。此時剛形成的切屑相當于一懸臂梁，切屑自由端受到高壓冷卻液機械沖擊力而被強迫向上彎曲，從而減小了切屑卷曲半徑，也改變了切屑流向。又由于高壓冷卻優化了冷卻效果，剛形成的處于高溫的切屑被快速冷卻，使得金相組織致密而變脆[6]，減小了切屑的斷裂韌性，使其很容易被高壓冷卻液沖斷，從而得到易于收集處理的碎屑，進而減少鳥巢般冗長切屑給加工過程帶來的種種影響。

內冷式高壓冷卻液的作用機理，如圖3 所示。

圖3 高壓冷卻液的作用機理Fig.3 Action Mechanism of High-Pressure Coolant

在高壓冷卻液的作用下，前刀面上的切屑被抬高，使得刀-屑接觸長度/面積、接觸壓力變小，為冷卻液滲入切削區域提供了更多空間，使得冷卻液的滲透作用增強，從而使潤滑冷卻液穿過刀-屑接觸區充分地滲入到接近刀尖的區域，減小了刀-屑-工件系統摩擦的同時，車刀刀尖作業狀況也得到顯著改善。根據切削第一定律[7]（式1），較短的刀-屑接觸長度和較小的摩擦力直接導致較大的切屑剪切角度，從而使加工變形減小，進而減小了切削力以及切削工作區的溫度。所以，運用內冷式高壓冷卻車刀可以防止積屑瘤的產生，并能夠減小刀具磨損顯著延長刀具的壽命，同時還能提高零件加工質量。此外，前刀面得到充分潤滑，冗長切屑被沖斷，減少了切屑纏繞，消除了切屑堆堵，極大地改善了切削加工過程。

式中：φ—剪切角；β—摩擦角；γo—前角。

3 有限元仿真研究

在運用新型內冷式高壓冷卻車刀進行304 不銹鋼的切削實驗過程中，由于高壓射流沖擊噴濺的影響，給刀具切削溫度的實際測量帶來一定的阻礙，所以選用有限元法對刀具切削溫度進行仿真研究。同時，利用有限元法對切屑的形態和折斷狀況進行仿真研究，為斷屑實驗研究奠定一定的理論基礎。本研究運用專業的金屬切削仿真軟件AdvantEdge 的二維車削模塊進行仿真分析，該軟件可以進行不同冷卻潤滑條件下的切削仿真，并且可以設置高壓冷卻液的噴射速度（壓力）與角度、冷卻液的傳熱系數，完全可以滿足內冷式高壓冷卻車刀切削304 不銹鋼的仿真模擬條件[8]。

研究過程中針對304 不銹鋼仿真分析了干切削、常規冷卻切削、內冷式高壓冷卻切削對刀具切削刃溫度的影響，選用切削用量vc=80m/min、ap=0.5mm、f=0.2mm/r、冷卻液壓力20MPa 進行參數設置。不同冷卻切削條件下切削刃溫度對比結果，如圖4 所示。相對于干切削的578℃、常規冷卻切削的491℃，高壓冷卻切削時車刀最高溫度低至380℃，總體降低了大約35%，車刀溫度越低，說明切削區域積累的熱量越少。切削區域的熱量越少意味著刀具工作條件越好，從而容易實現長時間連續切削，改善加工效果，提高生產效率。

圖4 不同冷卻條件下切削刃溫度對比Fig.4 Contrast of Cutting Edge Temperature in Different Cooling Conditions

此外，為了研究分析不同冷卻條件對切屑卷曲折斷的影響規律，對同一切削用量下不同冷卻條件下的切屑生成狀況、卷曲折斷狀況進行了仿真研究。干切削、常規冷卻切削、15MPa、20MPa、25MPa 高壓冷卻條件下切屑生成狀況和切屑卷曲半徑變化曲線，如圖5 所示。由圖可知，在干切和常規冷卻狀態下，切削呈大卷曲半徑長條狀，這種切屑通常不易折斷并隨著工件的旋轉極易與工件發生纏繞，破壞已加工工件表面質量；在高壓冷卻條件下，由于高壓射流的熱效應和機械效應的綜合作用，快速冷卻的切屑變脆極易被沖斷，從而易形成小半徑卷曲的碎屑，而且冷卻液壓力越大，切屑卷曲半徑越小，充分說明了高壓冷卻液的斷屑效果。

圖5 切屑卷曲折斷變化規律Fig.5 Variation Law of Chip Curling and Breaking

4 斷屑實驗研究

運用新型內冷式高壓冷卻車刀在數控車床上進行高壓冷卻條件下304 不銹鋼棒料的車削，實驗系統裝置，如圖6 所示。切削液在高壓泵的作用下經過高壓管、刀桿從車刀前刀面上的高壓射流孔噴出，噴至切屑底層，優化切削過程。

圖6 實驗裝置Fig.6 Experimental Facility

在實驗過程中，采用單因素實驗分析法進行研究，實驗參數設置，如表1 所示。實驗過程中設置20MPa 的高壓泵壓力作為恒定的冷卻液壓力。

表1 實驗參數設置Tab.1 Setting of Experiment Parameter

收集運用內冷式高壓冷卻車刀在不同切削用量下切削產生的切屑，并進行觀察比對分析，不同切削用量條件下的切屑形態，如圖7 所示。由實驗結果可知，相對于干切削條件下的冗長切屑，高壓冷卻條件下，由于高壓冷卻液的機械沖擊力和快速冷卻潤滑作用，切屑卷曲半徑顯著減小，形成了易于處理的碎屑。隨著切削速度的提高，切屑形成速度加快，熱量來不及散失，切屑積累的熱量增加，在高壓射流的作用下切屑溫度驟變明顯，更容易變脆被沖擊折斷，從而形成的切屑在卷曲半徑和長度上都隨著切削速度的提高逐漸變小。

圖7 不同切削用量下切屑形貌對比Fig.7Contrast of Chip Morphology in Different Cutting Para meters

隨著進給量的增大，雖然切屑卷曲半徑有所增大，但切屑長度是呈現減小的趨勢，總體上趨于崩碎的狀態。這是由于進給量增大的同時，切削厚度也增大，切削厚度愈大，切屑應變愈大，根據最大應變理論來判斷切屑的折斷，則同等高壓冷卻條件下切屑越容易折斷。

隨著背吃刀量的增大，切屑卷曲半徑和切屑長度都有所增大。這是由于相對于切削速度和進給量，背吃刀量對切削熱量的積累和切削溫度的影響最小，所以和常規切削類似，隨著背吃刀量的增大，切屑尺寸呈增大趨勢。

5 總結

在此次研究中，針對新型的內冷式高壓冷卻車刀進行了切削性能方面的理論、仿真研究和實驗分析。由研究結果可知：

（1）與常規的冷卻方式先比，內冷式高壓冷卻液能有效克服切削冷卻過程中的萊頓弗羅斯特效應，更直接地作用于靠近刀尖的切削區域，并且能夠直接作用于切屑底部，高效冷卻切削區域的同時，促進切屑的卷曲折斷。（2）通過不同冷卻條件下切削刃溫度和切屑卷曲折斷狀況的仿真結果可以看出，相對于干切削，運用內冷式高壓冷卻車刀切削時的切削刃溫度降低了大約35%；切屑也趨于卷曲折斷，表現出良好的冷卻效果和斷屑趨勢。（3）通過運用內冷式高壓冷卻車刀進行304 不銹鋼切削實驗的研究結果可以看出，高壓冷卻液能夠影響切屑的卷曲和折斷，顯著減小切屑卷曲半徑，得到易于處理的碎屑。

采用新型內冷式高壓冷卻車刀，能夠實現良好的冷卻效果、切屑控制、加工安全性、工藝穩定性和高生產效率。同時也能夠促進針對難加工材料機床自動化加工技術的進一步發展。