304不銹鋼車削的高壓斷屑技術(shù)研究

戚遠大，周永勝，崔成林

(沈陽機床集團有限責任公司，沈陽 110000)

0 引言

304不銹鋼在車削加工過程中產(chǎn)生的鐵屑不易折斷。冗長的鐵屑會纏繞在刀具上劃傷加工表面，需停機進行人工清理方可繼續(xù)加工[1]。另外，因為304不銹鋼存在加工硬化現(xiàn)象，其鐵屑柔韌性好，硬度高。冗長的鐵屑掉落到排屑器后會纏繞成蓬松且體積較大團狀鐵屑。時常會使排屑器在壓縮、提升鐵屑時出現(xiàn)鏈板卡死等故障[2]。需人工拆卸、清理排屑器，費時費力。因此，冗長的鐵屑使生產(chǎn)加工無法連續(xù)穩(wěn)定地運行，時常需要人工干預，降低了生產(chǎn)效率。

目前，機加工企業(yè)通常使用帶特殊斷屑槽的刀具，配合合理的切削參數(shù)來控制304不銹鋼的鐵屑長度以及出現(xiàn)長鐵屑的幾率[3]。該方法可以降低“纏刀”和排屑器卡死的問題幾率，卻不能徹底解決。在無人值守的自動化生產(chǎn)方式下，“纏刀”問題無法被及時發(fā)現(xiàn)并干預[4]。問題一旦出現(xiàn)，往往會造成大量廢品甚至安全事故的發(fā)生。因此限制了自動化加工方式在304不銹鋼加工中的應用。

目前，高壓斷屑技術(shù)的研究主要集中在斷屑機理方面，結(jié)合實際生產(chǎn)需要的應用研究較少[4]。因此，有必要從實際的加工參數(shù)、常用刀片以及高壓供液系統(tǒng)的可靠性和易維護性角度出發(fā)，進行304不銹鋼高壓斷屑工藝、技術(shù)的應用研究，提出一套具有實用意義的高壓斷屑方案，推動自動化生產(chǎn)方式在304不銹鋼加工中的應用。

1 高壓冷卻斷屑機理

切削過程是工件材料被刀具前段擠壓、變形、斷裂的過程[5]。材料在脫離工件后形成鐵屑，并沿前刀面向上滑移、卷曲。當鐵屑的彎曲應力達到折斷極限時即發(fā)生斷裂。高壓冷卻可以強力、精準的噴射到前刀面與鐵屑之間，沖擊力會使鐵屑產(chǎn)生附加變形，進一步增大鐵屑的卷曲變形，促進鐵屑的折斷[6]。另外，高壓冷卻可以有效降低切削區(qū)域的切削熱，增加鐵屑的脆性，使鐵屑更易折斷。鐵屑的長度主要受冷卻壓力、切削參數(shù)(切削速度、進給量、切削深度)、刀片形式影響[7]。

2 高壓供液系統(tǒng)設計

如圖1所示為304不銹鋼在相同車削參數(shù)、不同冷卻壓力的情況下，出現(xiàn)的最長鐵屑的長度。當冷卻壓力在7 MPa以下時，切削過程都會產(chǎn)生較長的鐵屑[8]。當冷卻壓力達到7 MPa時，鐵屑長度迅速下降至50 mm以下，可以保證“纏刀”問題的解決以及排屑的順暢。另外，車床產(chǎn)品的冷卻液流量通常要達到30 L/min以上。綜合成本等因素，選取高壓冷卻系統(tǒng)的壓力為7 MPa，流量為30 L/min。

圖1 冷卻壓力對鐵屑長度的影響

高壓供液系統(tǒng)應包括供液水路、回液水路、液位控制以及過濾系統(tǒng)，并應考慮維修、系統(tǒng)過載保護以及避免高壓水泵頻繁啟停等因素[9-10]。供液水路采用高壓不銹鋼螺桿泵，供液輸出壓力7 MPa，供液流量30 L/min?；匾核凡捎锰嵘茫g斷性從機床水槽內(nèi)向高壓冷卻系統(tǒng)儲液箱回液?；匾毫髁?0 L/min，揚程25 m，確保儲液箱內(nèi)液體平衡。供液裝置原理，如圖2所示。

1.單向閥 2.提升泵 3.自清洗過濾器 4.布袋過濾器 5.加液口 6.儲液箱 7.液位開關(guān)(回) 8.液位開關(guān)(供) 9.電磁閥 10.安全閥 11.供液接口 12.供液電磁閥 13.溫度傳感器 14.壓力傳感器 15.渦輪流量計 16.螺桿泵 17.維修球閥 18.放液球閥 19.液位視窗 20.冷卻接口(供) 21.冷卻接口(回) 22.接口(回)

供液水路：儲液箱內(nèi)的切削液經(jīng)維修球閥、螺桿泵、渦輪流量計、壓力傳感器、溫度傳感器、供液電磁閥、供液接口供出。

回液水路：切削液經(jīng)回液接口、單向閥、提升泵、自清洗過濾器、布袋過濾器進入儲液箱內(nèi)。

液位開關(guān)用于監(jiān)控儲液箱內(nèi)切削液的液位，根據(jù)液位的高低適時啟動或停止提升泵和高壓螺桿泵，保證儲液箱內(nèi)始終擁有足夠的切削液。

高壓螺桿泵使用中須避免頻繁啟停，否則會大幅降低高壓螺桿泵的使用壽命。因此應在冷卻系統(tǒng)中設置電磁閥實現(xiàn)系統(tǒng)的壓力輸出與內(nèi)循環(huán)的切換，用于機床冷卻液的開/關(guān)控制，達到“停水不停泵”的作用。另外，應在供液水路上設置安全閥用于系統(tǒng)壓力異常保護，防止泵體及電機過載損壞。

高壓螺桿泵要求切削液的過濾精度≤40 μm。為滿足過濾精度≤40 μm，一級自清洗過濾器的過濾精度為40 μm，二級布袋過濾器的過濾精度為30 μm。

3 斷屑工藝研究

鐵屑的長度主要受冷卻壓力、切削參數(shù)(切削速度、進給量、切削深度)、刀片形式影響。實際生產(chǎn)過程中，加工參數(shù)的確定需要綜合考慮切削效率、表面粗糙度、刀具壽命等因素。因此在研究304不銹鋼的斷屑工藝時，有必要結(jié)合實際情況，在常用的加工參數(shù)范圍的基礎(chǔ)上進行，使結(jié)果具有應用、推廣價值。

鐵屑的卷曲半徑及折斷應力極限隨切削深度的增加而增大，切削深度越深，鐵屑越不易折斷。因此有必要對304不銹鋼的粗加工和精加工分別進行斷屑工藝研究，實驗設備如圖3所示。

(a) 測試機床 (b) 高壓供水裝置

(c) 內(nèi)冷刀具圖3 測試設備

粗加工切削的切深通常在1～2 mm?？紤]到加工效率，進給量取值0.25～0.3 mm/r。切削速度因刀片的品牌不同而不同，對于山特維克的粗加工不銹鋼刀片，其推薦切削速度v=210～230 m/min。綜合考慮刀具壽命、毛坯均勻性等因素，切削速度可適當降低至v=160 m/min。粗加工參數(shù)及刀片參數(shù)如表1和表2所示。

表1 粗加工切削參數(shù)

表2 刀片參數(shù)

DNMG110408-MM20和DNMG110412-MM2015為山特維克用于不銹鋼粗加工的刀片。兩種刀片分別按照表1的參數(shù)進行切削測試，鐵屑形態(tài)如圖4所示。結(jié)果顯示兩種刀片的鐵屑長度在7 MPa和0.3 MPa均≤30 mm，斷屑效果良好。

(a) DNMG110408-MM2015

(b) DNMG110412-MM2015圖4 粗加工鐵屑形態(tài)

調(diào)整進給量f=0.1 mm/r或切削速度v=100 m/min,在0.3 MPa的普通冷卻壓力下，兩種刀片的鐵屑長度均在300 mm左右。當冷卻壓力增大到7 MPa時，鐵屑長度依然沒有明顯縮短。粗加工的切削深度(1～2 mm)增加了鐵屑的卷曲半徑和折斷應力極限，并使其超出了7 MPa冷卻壓力的斷屑能力。因此，粗加工主要是通過合理的切削參數(shù)配合適當?shù)牡镀瑢崿F(xiàn)斷屑。

精加工切削深度在0.2～0.4 mm，進給量f小于0.2 mm/r。山特維克精加工不銹鋼刀片推薦切削速度v=165 mm/min。精工參數(shù)如表3所示，刀片參數(shù)如表4所示。測試結(jié)果如圖5所示。

從圖5的鐵屑狀態(tài)可以看出，當f=0.13 mm/r，a=0.2 mm時的鐵屑長度最短，經(jīng)測量基本都為50 mm以下的鐵屑；當f=0.15～0.2 mm/r時，鐵屑的狀態(tài)為長、短屑并存，其中長鐵屑的長度在300 mm左右；當a=0.3～0.4 mm時，長鐵屑的數(shù)量及長度開始增加，a=0.4 mm時，鐵屑形態(tài)基本以長鐵屑為主。因此，f=0.13 mm/r，a=0.2 mm，v=165 m/min是一組具有較好斷屑效果的切削參數(shù)。

表3 精加工切削參數(shù)

表4 刀片參數(shù)

(a) f=0.13 mm/r, a=0.2 mm(b) f=0.13 mm/r, a=0.3 mm(c) f=0.13 mm/r, a=0.4 mm

(d) f=0.15 mm/r, a=0.2 mm(e) f=0.15 mm/r, a=0.3 mm(f) f=0.15 mm/r, a=0.4 mm

(g) f=0.2 mm/r, a=0.2 mm(h) f=0.2 mm/r, a=0.3 mm(i) f=0.2 mm/r, a=0.4 mm

將刀片型號更換為株洲鉆石DNMG110408-EF進行測試。切削參數(shù)如表5所示，刀具參數(shù)如表6所示。

表5 精加工切削參數(shù)

表6 刀片參數(shù)

鐵屑形態(tài)如圖6所示，當f=0.13 mm/r，a=0.2 mm，v=165 m/min時的鐵屑長度較短，斷屑情況比較理想；將切削速度提高至刀片推薦切削速度240 m/min后，長鐵屑開始出現(xiàn)。當切削深度a=0.3～0.4 mm時，鐵屑形態(tài)基本以長鐵屑為主。

(a) f=0.13 mm/r,a=0.2 mm, v=165 mm/min (b) f=0.13 mm/r,a=0.2 mm, v=240 mm/min

(c) f=0.13 mm/r,a=0.3 mm, v=240 mm/min (d) f=0.13 mm/r,a=0.4 mm, v=240 mm/min

因此，對于304不銹鋼精加工來說，較理想的斷屑切削參數(shù)及適用刀片型號如表7所示。

表7 斷屑切削參數(shù)及刀片

4 結(jié)論

本文提供了一種7 MPa高壓供液系統(tǒng)的技術(shù)方案。并在7 MPa高壓冷卻的情況下，基于常用粗/精切削參數(shù)，對304不銹鋼使用不同刀片的車削斷屑情況進了試驗研究。研究結(jié)果如下：

(1)要確保304不銹鋼的斷屑可靠性，冷卻壓強須達到7 MPa。

(2)7 MPa高壓冷卻對304不銹鋼粗加工的斷屑作用不大，粗加工斷屑主要通過采用合適的刀片和切削參數(shù)來實現(xiàn)。

(3)7 MPa高壓冷卻可以解決304不銹鋼精加工鐵屑不易折斷的問題。鐵屑的長度與冷卻壓力、切削參數(shù)、刀片有關(guān)。通過匹配適當?shù)那邢鲄?shù)和刀片，鐵屑長度可以被控制在較短的范圍內(nèi)。

(4)304不銹鋼粗/精加工的斷屑切削參數(shù)及適用刀片如表1和表7所示。鐵屑長度可避免“纏刀”問題的發(fā)生，確保自動線的穩(wěn)定運行。