介紹
機(jī)械加工過程包括以切屑的形式從工件中去除不需要的材料，這是制造的主要方法之一。根據(jù)蔡爾茲等人的說法，國家的財(cái)富可以通過他們對機(jī)械加工的投資來判斷。然而，由于高度依賴傳統(tǒng)的液體切削液來延長工具的使用壽命，因此導(dǎo)致了環(huán)境、生態(tài)、健康和成本問題。眾所周知，由于流體的初始成本和流體的最終處置成本，在金屬切削過程中使用的傳統(tǒng)液體冷卻劑占機(jī)加工成本的17%。這表明，制造業(yè)迫切需要尋找機(jī)械加工技術(shù)，以減少冷卻劑的使用量，或完全消除它們。選擇以確定冷卻方法的有效性的加工參數(shù)是基于刀尖制造商的建議。本研究使用了一個(gè)單點(diǎn)銑刀來幫助分析由于多種刀具尖端的聯(lián)合中間切削作用而引起的切削作用。
通常的末端銑削工藝使用大量的液體冷卻劑，液體冷卻劑用于增加工具壽命和提高工件表面光潔度。不幸的是，即使認(rèn)識到上述的好處，一個(gè)更環(huán)保的工具冷卻方法是探尋。簡單地減少使用的冷卻劑量并不是一個(gè)可行的解決方案，因?yàn)樵诘毒呒舛说那懈钭饔檬情g歇性的，刀具尖端的熱沖擊會增加。為了將熱沖擊的后果降到最低，需要一種冷卻方法來消除在整個(gè)切割周期中產(chǎn)生的熱量。
許多替代的冷卻方法已經(jīng)被試驗(yàn)，以幫助提高加工性能，并取得了一些成功。其中一種方法被稱為微量潤滑(MQL)，這是一個(gè)極少量的潤滑劑被壓縮空氣噴到刀具上。與車削相比，在末端銑削中使用MQL的文章很少。MQL面臨的挑戰(zhàn)是證明工具壽命與傳統(tǒng)的洪水冷卻相兼容。在車削加工試驗(yàn)中，冷空氣（渦流管）和MQL已經(jīng)證明提高了刀具壽命、切割力、表面光潔度和切屑形狀。本文研究了一種新的冷卻方法，即刀具不斷被冷空氣包圍，并加入MQL以減少切削摩擦。很少有報(bào)道冷空氣或MQL輔助端銑削，M.Rahman等人的一篇研究論文，研究了一種使用液霧和空氣的新型冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。結(jié)果表明，在一定的切割條件下，該冷卻系統(tǒng)的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的洪水冷卻劑。例如，通過這種新的冷卻方法獲得的刀具磨損被發(fā)現(xiàn)低于在低進(jìn)料速率和低切割速度下的洪水冷卻劑。在較高的進(jìn)料速率下，工件的平均表面粗糙度較低，并且在較高的切割速度下，工件的平均表面粗糙度與洪水冷卻劑的平均表面粗糙度兼容。以往的研究[5]表明，干切削力大于洪水冷卻劑或冷凍空氣冷卻方法。本研究旨在證明不同方法在1040鋼高速端部銑削過程中延長刀具壽命的有效性和適用性。采用田口法[6]對實(shí)驗(yàn)過程制定策略，優(yōu)化實(shí)驗(yàn)參數(shù)。這是通過使用在切割試驗(yàn)中使用的切割參數(shù)的正交陣列來完成的。
切割試驗(yàn)和設(shè)置
金屬切割試驗(yàn)包括利德韋爾立式加工中心（V-30）、基斯特勒三分量測功計(jì)（9257BA型）和功率分析儀上的橫河CW140夾具。一個(gè)入口壓力為85psi的Airtx渦旋管（20008型）提供-5度冷凍空氣。所使用的壓縮空氣由車間空氣管道供應(yīng)。MQL微量潤滑系統(tǒng)霧化金屬切割潤滑劑并分配到切割區(qū)，該系統(tǒng)的工作原理與噴霧相同，允許潤滑劑由單一空氣源噴灑，從而允許調(diào)整輸送到切割區(qū)的潤滑劑量。采用傳統(tǒng)的乳化切削液（Cocol超切削）進(jìn)行濕式加工，所有試驗(yàn)選擇的刀具為Sandvik單尖端工具（R390-012A16-1L）和涂層碳化鎢插入件(R390-11T3 08M-PL1030)。在所有試驗(yàn)期間使用的所有冷卻噴嘴都保持在距離工具約25毫米。為了避免刀具跑完對側(cè)翼磨損的影響，并簡化了試驗(yàn)的分析。工件被夾在測功計(jì)上，測力計(jì)又固定在垂直銑削中心的機(jī)床上。然后將切割力記錄在計(jì)算機(jī)的硬盤上，以供以后進(jìn)行分析。圖1顯示了切割測試設(shè)置。
金屬切割試驗(yàn)采用三種冷卻條件進(jìn)行；冷卻空氣(CA)、微量潤滑(MQL)和結(jié)合微量潤滑的冷卻空氣（CA+MQL）。最佳實(shí)踐切割路徑用于生產(chǎn)機(jī)加工面，確保刀具尖端沿著刀具路徑不斷去除70%的材料。在圖2所示的位置，記錄每個(gè)加工面的切割力和功率。
圖1。加工裝置
圖2。刀具路徑
在本研究中，應(yīng)用于切割邊緣的刀具失效標(biāo)準(zhǔn)為：
- 災(zāi)難性的故障或局部切割。
- 側(cè)面磨損大于0.4或全邊緣斷裂。
- 工具力和切割力的劇烈變化。
用工具制造顯微鏡加工后檢查所有工具尖的磨損情況，并用便攜式手寫筆型表面粗糙度測試儀測量工件的表面粗糙度。
結(jié)果和討論
我們選擇了本研究中使用的切割條件（見表1）來反映典型的工作環(huán)境，以確定生產(chǎn)中冷卻參數(shù)的有效性。
表1。切割試驗(yàn)設(shè)置
為了證明冷空氣與MQL結(jié)合在生產(chǎn)中的成功性，首先有必要測量在極端操作切割條件下的磨損。傳統(tǒng)的干式磨削和洪水銑削用于設(shè)置冷卻過程的基準(zhǔn)點(diǎn)，因?yàn)樗鼈兪莾蓚€(gè)極端位置。M.Rahman等人之前進(jìn)行的研究。al.[7]已經(jīng)證明MQL與洪水冷卻劑兼容的切割條件如下：切割速度為75至125m/min，進(jìn)料速率為0.01至0.03mm/齒，切割深度(DOC)為0.35至0.7mm。圖3顯示了在進(jìn)料率為0.015mm/齒時(shí)記錄的側(cè)翼磨損和表面粗糙度，以及切割深度(DOC)0.35 mm.當(dāng)與生產(chǎn)切割條件相比時(shí)，它發(fā)現(xiàn)側(cè)翼磨損如預(yù)期的那樣增加了，而由于較高的切割溫度，MQL并沒有那么有效。
圖3。由M.Rahman[4]研究的切割速度對刀具磨損和表面粗糙度的影響
采用田口的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，[8]將切削試驗(yàn)降低到9種條件下，同時(shí)不影響切削試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)健性。每個(gè)實(shí)驗(yàn)切割試驗(yàn)的切割試驗(yàn)條件和冷卻參數(shù)的組合（見表2）。列A表示冷卻參數(shù)，0表示風(fēng)冷卻，1表示MQL，2表示MQL+AC。列B表示切割速度，0表示較低的切割速度，1表示推薦的刀具刀尖切割速度，2表示較高的切割速度。
表2。正交測試陣列
所有的切割試驗(yàn)都記錄了每個(gè)試驗(yàn)樣品的切割力和功率，產(chǎn)生了大量的數(shù)據(jù)。本文利用這些數(shù)據(jù)的提取來證明每個(gè)冷卻參數(shù)的有效性。
從之前的研究[9]中發(fā)現(xiàn)，圖4(a)的一個(gè)冷空氣噴嘴與MQL結(jié)合改進(jìn)了加工操作，但仍受到熱開裂的影響，降低了刀具壽命。由于刀具尖端現(xiàn)在在所有切割方向上被冷卻，額外的風(fēng)冷噴嘴大大減少了熱開裂。
圖4。冷卻參數(shù)
測功機(jī)允許分析每個(gè)冷卻參數(shù)的切割力，如圖5所示，其中X（藍(lán)色）、Y（紅色）和Z（粉紅色）軸顯示了力的大小，相應(yīng)的增加識別工具磨損。圖6顯示了一個(gè)測試條件（1）在冷卻參數(shù)范圍（0、1和2）上的平均力。圖6和圖7中包含了一個(gè)干式和洪水切割樣品以供參考。
圖5。測功機(jī)輸出的典型力
圖6。切割力
圖7。在位置5處的樣品1的切割功率
圖6顯示，在三個(gè)樣品中使用的三個(gè)冷卻參數(shù)中，冷空氣冷卻的切割力是最低的。然而，如圖7所示，切割功率的類似減少并沒有證明這一點(diǎn)。測量力和力之間的明顯差異是由于力是切割力，而力是切割力的一個(gè)矢量。最全面的說明是最有效的冷卻參數(shù)是由哪一個(gè)盡量減少刀具磨損。每個(gè)樣品加工后，在顯微鏡下檢查所有的工具針尖，并在繼續(xù)加工前拍照記錄磨損情況。刀具尖端的典型磨損如圖9所示。切割功率相對于刀具上的磨損增加，很好地表明切割性能。然而，由于金屬切割是一個(gè)非常復(fù)雜的分析系統(tǒng)，而不能只考慮切割力，這是一個(gè)非常復(fù)雜的分析系統(tǒng)。因此，在指定最佳冷卻方法時(shí)，必須包括所有重要的工具參數(shù)。
最后對所有樣品進(jìn)行表面光潔度檢測，結(jié)果表明所有樣品都處于半精加工的極限。每個(gè)樣品的磨損機(jī)理與良好的表面粗糙度數(shù)據(jù)相關(guān)，如圖8所示。
圖8。冷卻參數(shù)表面粗糙度（μm）
圖9。工具尖端磨損
結(jié)論
端部銑削是一種加工過程，已被證明是極其困難的，以消除傳統(tǒng)的切割液，因?yàn)殚g歇性切割行動導(dǎo)致熱開裂。為了減少這種影響，刀具針尖不斷被冷空氣和少量的植物油包圍，以減少切割摩擦。發(fā)熱過程的性質(zhì)使得不可能消除刀具尖端內(nèi)的熱應(yīng)力。本研究的目的是延長干式加工的刀具壽命。雖然使用少量植物油的空氣冷卻不是一個(gè)完全干燥的過程，但它是相當(dāng)接近的。有趣的是，拉赫曼先生等人。[5]發(fā)現(xiàn)，干切割產(chǎn)生的切割力更高，切割深度為0.35mm，切割速度為75m/min，而在本研究中，干切割接近風(fēng)冷。與分析測功機(jī)的力讀數(shù)相比，每次切割過程中使用的功率能更直接地表明切割過程的有效性。結(jié)果表明，即使使用正常的生產(chǎn)切割速度、進(jìn)料速率和切割深度，冷空氣+MQL也可用于提高刀具壽命。使用這種機(jī)械加工的方法有助于使金屬切割更具可持續(xù)性。需要進(jìn)一步的工作來檢驗(yàn)其他銑刀和材料的空氣冷卻效率。