低溫冷風(fēng)射流技術(shù)在滾齒加工中應(yīng)用的試驗(yàn)研究*

張根保 尉紅軍 張 博

(重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)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(chǎn)生大量的切削熱,這直接導(dǎo)致了工件表面質(zhì)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(zhì)量和改善刀具磨損狀況,根本措施是對(duì)切削區(qū)實(shí)施有效冷卻和潤(rùn)滑。而目前金屬加工大多是大量使用油劑切削液來達(dá)到冷卻和潤(rùn)滑的目的。這一方面造成了資源和能源的巨大浪費(fèi)(據(jù)統(tǒng)計(jì),在集中冷卻加工系統(tǒng)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(duì)環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重污染,甚至危害工人健康。

低溫冷風(fēng)切削是冷風(fēng)以射流方式強(qiáng)烈沖刷切削區(qū)的一種加工方法,由日本的橫川和彥教授最早提出[2]。試驗(yàn)研究表明它可以顯著均勻地降低加工區(qū)、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(jié)約切削液的購(gòu)入費(fèi)用及其相關(guān)的設(shè)備費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用,對(duì)環(huán)境無污染。文獻(xiàn)[3]對(duì)在干切、常規(guī)油冷切削和液氮狀態(tài)下車削Ti-6Al-4V時(shí)硬質(zhì)合金刀具磨損機(jī)理進(jìn)行了試驗(yàn)研究,結(jié)果表明粘結(jié)、擴(kuò)散是硬質(zhì)合金刀具的主要磨損機(jī)理。文獻(xiàn)[4]采用微量油潤(rùn)滑和低溫冷風(fēng)切削方式對(duì)高硅鋁進(jìn)行了車削試驗(yàn)研究,結(jié)果表明使用-30℃冷風(fēng)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(zhì)量。文獻(xiàn)[5]通過對(duì)45鋼的干切和低溫冷風(fēng)切削對(duì)比試驗(yàn),探討了低溫冷風(fēng)切削對(duì)切削折斷的影響。

滾齒加工為斷續(xù)切削,在高速下滾刀刀齒與工件的接觸時(shí)間極短,同時(shí)由于模態(tài)沸騰現(xiàn)象的存在,常規(guī)油劑切削液的冷卻和潤(rùn)滑效果很不理想。故本文進(jìn)行了45鋼的低溫冷風(fēng)和常規(guī)油冷滾齒加工的對(duì)比試驗(yàn),以解決能否利用低溫冷風(fēng)射流控制切削區(qū)的高溫這一問題,目前的文獻(xiàn)尚未有此方面的研究。同時(shí)為真正體現(xiàn)低溫冷風(fēng)在技術(shù)上的差異性和優(yōu)越性,采用正交試驗(yàn)法,進(jìn)行了低溫冷風(fēng)加工最佳切削參數(shù)確定試驗(yàn),并對(duì)冷風(fēng)溫度、軸向進(jìn)給量和微量潤(rùn)滑對(duì)齒面粗糙度影響的顯著度進(jìn)行了分析,為冷風(fēng)射流技術(shù)在滾齒上的推廣應(yīng)用提供了試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)方案及結(jié)果處理

1.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)機(jī)床:YK3610臥式小模數(shù)數(shù)控滾齒機(jī),主軸轉(zhuǎn)速范圍550～4000 r/min,本試驗(yàn)始終設(shè)定n=1000 r/min;試驗(yàn)刀具:YG6X硬質(zhì)合金滾刀,m=1.25 mm,外徑 φ=32 mm,α=20°,右旋,β=17°,精度等級(jí) AA級(jí);試切零件:45號(hào)碳素結(jié)構(gòu)鋼,正火σb=600 N/m2,σs=355 N/m2,δs＞16%,φ＞40%;冷風(fēng)設(shè)備:冷源采用HL630型冷風(fēng)射流機(jī),采用自然復(fù)疊式制冷循環(huán),制冷劑為混合工質(zhì),自帶可控微量油裝置(霧化器),溫度為0～-60℃(可調(diào)),冷風(fēng)壓力為0.6 MPa,壓縮空氣流量0.4 Nm3/min,設(shè)定均為定值。其中磨損寬度VB是由Nikon SMZ1500體視顯微系統(tǒng)測(cè)量得到;齒面粗糙度Ra是由德國(guó)霍梅爾T1000粗糙度輪廓儀測(cè)量得到。由于噴嘴與刀具之間的距離和角度對(duì)加工時(shí)的冷卻效果有十分明顯的影響,故試驗(yàn)采用如圖1的冷風(fēng)裝置布局。其中冷風(fēng)噴嘴被固定在滾刀主軸外殼上,即能隨滾刀主軸同步移動(dòng)和旋轉(zhuǎn),兩個(gè)噴嘴分別對(duì)準(zhǔn)滾刀前刀面和后刀面,以保證對(duì)整個(gè)加工區(qū)域能夠充分冷卻。圖2為加工實(shí)況圖。

1.2 低溫冷風(fēng)和常規(guī)油冷切削對(duì)比試驗(yàn)

以刀具后刀面磨損量VB和齒面粗糙度Ra為考察對(duì)象,進(jìn)行了常規(guī)油冷切削和-25℃冷風(fēng)干切削的對(duì)比試驗(yàn)。常規(guī)油冷切削時(shí)的室溫為25℃。

在軸向進(jìn)給量f=0.3 mm/r,滾刀轉(zhuǎn)速n=1000 r/min,冷風(fēng)溫度為t=-25℃時(shí),兩種切削方式下,各切削10件工件,滾刀標(biāo)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(guī)油冷切削的標(biāo)定刀齒后刀面磨損量VBmax為0.58 mm,冷風(fēng)干切的VBmax為0.4 mm,與前者相比VBmax減小了0.31%。從圖4中結(jié)果可看出,冷風(fēng)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(dòng)較小。而常規(guī)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(fēng)加工最佳切削參數(shù)確定試驗(yàn)

與常規(guī)油冷切削相比,低溫冷風(fēng)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(biāo),采用正交試驗(yàn)法,進(jìn)行了低溫冷風(fēng)加工最佳切削參數(shù)確定試驗(yàn)。試驗(yàn)旨在探明冷風(fēng)溫度的高低和有無微量潤(rùn)滑對(duì)齒面粗糙度產(chǎn)生影響;同時(shí)由于滾齒加工中進(jìn)給量的大小直接影響工件表面質(zhì)量和滾齒加工的效率,故把進(jìn)給量列為考察因素。

表1 正交試驗(yàn)因素水平表

表2 正交試驗(yàn)表頭及試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)法采用規(guī)格化正交表為工具,科學(xué)合理地安排試驗(yàn),在遵循“均衡搭配”原則的基礎(chǔ)上通過盡可能少的試驗(yàn)次數(shù),得出最優(yōu)的試驗(yàn)方案。本試驗(yàn)需要考慮3個(gè)因素,每個(gè)因素3個(gè)水平,選用正交表L9(34)。暫時(shí)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(yàn)結(jié)果。其中潤(rùn)滑只有2水平,采用擬水平法添加一個(gè)水平。微量潤(rùn)滑的流量Q設(shè)定為20 ml/h。

表2中,K1、K2、K3這三行的數(shù)值分別為各因素的第1、2、3水平所在的試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)的齒面粗糙度值之和,k1,k2,k3這三行的數(shù)值分別是各項(xiàng)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(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響越大。

根據(jù)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(fēng)溫度-45℃、進(jìn)給量0.3 mm/r、有微量潤(rùn)滑。但可以觀察到冷風(fēng)溫度在-35℃和-45℃時(shí)的粗糙度值Ra相差甚微,僅有0.02 μm。從經(jīng)濟(jì)性考慮,我們可以認(rèn)為本試驗(yàn)的最佳因素搭配為冷風(fēng)溫度-35℃、進(jìn)給量0.3 mm/r、有微量潤(rùn)滑。

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

式中:Sj與fj分別表示試驗(yàn)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(jì)算結(jié)果來看,其中冷風(fēng)溫度高低對(duì)齒面粗糙度Ra的貢獻(xiàn)最大,為62.37%,緊接著是微量潤(rùn)滑和進(jìn)給量,分別為22.34%和10.02%。試驗(yàn)中誤差的貢獻(xiàn)率僅為5.27%,證明了本次正交試驗(yàn)是成功的,且表明了試驗(yàn)因素間的交互作用的影響很小,可以忽略。

表3 方差分析結(jié)果

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

1.2 節(jié)的試驗(yàn)結(jié)果顯示,與常規(guī)油冷切削相比,-25℃冷風(fēng)切削獲得了較小的刀具磨損和良好的加工表面質(zhì)量。這是因?yàn)?在金屬切削加工中,切削時(shí)所作的功大多用于切削材料的變形、切斷和產(chǎn)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(zhuǎn)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(qiáng)度弱和散熱條件差,刀尖磨損加劇。滾齒加工為斷續(xù)切削,刀具是在不斷變化的高溫、高壓和強(qiáng)烈摩擦的條件下工作,刀具磨損很快。而刀具磨損是機(jī)械、化學(xué)和熱的三種作用的綜合結(jié)果,主要表現(xiàn)為刀具熱磨損中的硬質(zhì)點(diǎn)磨損、粘結(jié)磨損和擴(kuò)散磨損。研究表明硬質(zhì)合金刀具切削中碳鋼主要是粘結(jié)磨損[6]。從圖5的滾刀刀尖磨損對(duì)比圖可知,常規(guī)油冷切削10件工件后刀尖處形成了微崩刃和較嚴(yán)重的月牙洼,說明切削時(shí)發(fā)生了嚴(yán)重的粘結(jié)磨損,而在冷風(fēng)工況下的刀尖并未發(fā)生此現(xiàn)象。因?yàn)橛蓚鳠峄痉匠?牛頓冷卻公式)[7]:

式中:Φ為熱流量;A為換熱面積;h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù);Δt為冷熱體溫差。

可知,低溫氣體依靠比液體強(qiáng)很多的滲透能力,更易進(jìn)入切削區(qū),即增大了動(dòng)態(tài)換熱面積和提高了刀具和冷卻劑(冷風(fēng))的溫差,具有冷卻針對(duì)性和強(qiáng)迫性,強(qiáng)化了散熱條件,從而能夠有效地降低切削點(diǎn)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(shí),會(huì)造成已加工齒面的凹凸不平,對(duì)于磨鈍的刀具此現(xiàn)象尤為嚴(yán)重,還會(huì)使切削時(shí)的振動(dòng)加劇,甚至發(fā)生顫振,使工件表面質(zhì)量惡化。低溫冷風(fēng)能夠?yàn)榍邢鲄^(qū)提供一個(gè)更為穩(wěn)定的溫度場(chǎng),且冷風(fēng)切削時(shí)刀具磨損較小,確保切削過程平穩(wěn),工件表面質(zhì)量一致性好。故工件齒面粗糙度值Ra的波動(dòng)性較常規(guī)切削要小

正交試驗(yàn)的結(jié)果顯示,冷風(fēng)的溫度對(duì)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(fēng)溫度在從-25℃降低到-35℃時(shí),齒面粗糙度值的減小最明顯,說明盡管-25℃冷風(fēng)已經(jīng)可以對(duì)切削區(qū)實(shí)施冷卻,但是還不能充分地帶走切削熱;冷風(fēng)溫度從-35℃到-45℃時(shí),粗糙度值Ra的變化已不明顯?？梢哉J(rèn)為-35℃以下的冷風(fēng)已能夠?qū)η邢鲄^(qū)實(shí)施充分的冷卻,控制切削區(qū)溫度穩(wěn)定在一個(gè)相對(duì)較低的水平,此時(shí)隨著冷風(fēng)溫度繼續(xù)降低,齒面粗糙度已無明顯提升。

從正交試驗(yàn)的結(jié)果可得出,冷風(fēng)下微量潤(rùn)滑也對(duì)工件齒面粗糙度的提升有著十分顯著的作用。在常規(guī)油劑切削時(shí)切削液以澆注形式供給,切削區(qū)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(yīng)影響會(huì)阻止切削液到達(dá)刀具和切屑的接觸面,從而形成切削液不能到達(dá)的空隙(刀面空隙、刀尖空隙),導(dǎo)致潤(rùn)滑效果變差,見圖6a。微量潤(rùn)滑油霧化裝置使?jié)櫥托纬晌⑿〉撵F粒,并以高速噴射至加工區(qū)域,由于霧粒的體積小、速度大,所以很容易到達(dá)刀-屑和刀-工件的接觸面,也就消除了常規(guī)油劑澆注式切削形成的刀面及刀尖空隙,見圖6b。

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

與冷風(fēng)溫度相比,冷風(fēng)下進(jìn)給量的變化對(duì)齒面粗糙度的影響相對(duì)較小,如圖7所示,在-35℃溫度以下,進(jìn)給量變化帶來的齒面粗糙度Ra的波動(dòng)已經(jīng)很小,其中以0.3 mm/r最小。同時(shí)也再一次證明了-35℃冷風(fēng)已經(jīng)能夠?qū)η邢鲄^(qū)實(shí)施充分的冷卻。故與常規(guī)油冷切削相比,冷風(fēng)切削時(shí),可以采用更高的進(jìn)給量來提高加工效率。

3 結(jié)語

通過對(duì)低溫冷風(fēng)與常規(guī)油冷切削的對(duì)比試驗(yàn)研究以及冷風(fēng)工況下最佳切削參數(shù)確定的正交試驗(yàn)研究,可以得出以下結(jié)論:

(1)對(duì)滾齒這種斷續(xù)切削加工,常規(guī)油劑冷卻效果很不理想。與之相比,-35℃以下的低溫冷風(fēng)能夠?qū)η邢鼽c(diǎn)實(shí)施更為有效的強(qiáng)制冷卻和潤(rùn)滑。冷風(fēng)冷卻效果有隨著冷風(fēng)溫度降低而提高的趨勢(shì),但試驗(yàn)中當(dāng)溫度低于-35℃時(shí),冷風(fēng)冷卻效果的提升已經(jīng)不再顯著,基于成本的考慮,選用-35℃冷風(fēng)作為切削溫度。

(2)低溫冷風(fēng)工況下,微量潤(rùn)滑油對(duì)齒面粗糙度有十分積極的提升作用。微量潤(rùn)滑油在高速冷風(fēng)射流下,具有極強(qiáng)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(rùn)滑薄膜,緩解摩擦,抑制切削熱的產(chǎn)生。

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

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

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