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刀具潤滑方式對高速切削加工的影響與優(yōu)化

2024-8-1 來源：航空工業(yè)沈陽飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司作者：趙國峰，王金財(cái)，張秀云

【摘要】隨著制造業(yè)的發(fā)展，高速切削加工作為一種高效率、高精度的加工方法，受到了廣泛關(guān)注。刀具潤滑作為高速切削過程中的重要環(huán)節(jié)，對加工效率、切削質(zhì)量和刀具壽命有著顯著影響。探討了不同刀具潤滑方式對高速切削加工的影響，并提出了優(yōu)化策略，以期進(jìn)一步提升加工效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：高速切削；刀具潤滑；加工效率；切削質(zhì)量；優(yōu)化策略

1、引言

高速切削加工作為現(xiàn)代制造業(yè)中一種重要的加工方式，以其高效率、高精度的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、模具等領(lǐng)域[1]。然而，隨著切削速度的增加，刀具在加工過程中面臨著更嚴(yán)峻的磨損、熱損傷等問題，不僅影響了加工質(zhì)量，還降低了刀具的壽命。因此，刀具潤滑在高速切削中變得尤為重要，它不僅能有效降低切削力、切削溫度，還能減少刀具磨損，從而提高加工效率和降低成本[2]。

2、高速切削加工機(jī)理分析

2.1 高速切削加工特點(diǎn)

高速切削加工是一種迅速發(fā)展的加工方法，其核心在于以高切削速度迅速完成金屬加工任務(wù)。相對于傳統(tǒng)切削，高速切削加工的主要特點(diǎn)包括極高的切削速度，這導(dǎo)致了加工時(shí)間的顯著縮短，從而有助于減少工件加熱和變形，提高加工的精度。然而，高切削速度也引發(fā)了切削力增大、刀具磨損加劇和切削溫度升高等問題[3]。

2.2 高速切削過程對刀具的影響

在高速切削過程中，刀具面臨著多重挑戰(zhàn)，其中之一是巨大的切削力。由于切削速度的增加，切削力相應(yīng)增大，這可能導(dǎo)致刀具磨損加劇，從而影響加工的質(zhì)量。此外，高切削速度還引發(fā)了切削溫度的顯著升高，這可能導(dǎo)致刀具的熱疲勞和變形，加劇刀具失效的風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 高速切削對潤滑的要求

在高速切削中，切削界面的摩擦熱量迅速增加，因此有效的潤滑方式至關(guān)重要。潤滑不僅需要降低切削溫度，還要減少切削力，延長刀具壽命。因此，潤滑劑需要具備良好的熱穩(wěn)定性，能夠在高溫環(huán)境下保持其性能。此外，潤滑劑還應(yīng)具有良好的附著性和擴(kuò)散性，以確保刀具表面和切削區(qū)域得到充分潤滑，從而提高切削效率。

3、常用刀具潤滑方式比較分析

3.1 干切削

干切削是一種不使用任何外部潤滑劑的切削方式，直接在無潤滑條件下進(jìn)行加工。雖然干切削操作簡便，但在高速切削中存在一些問題。一方面，由于缺乏潤滑，切削過程中摩擦和熱量積聚，容易導(dǎo)致刀具過熱和磨損加劇。另一方面，切削力相對較大，可能影響加工精度。盡管干切削在一些場景下可以應(yīng)用，但在高速切削中的效果受限。

3.2 濕切削

濕切削通過在切削區(qū)域引入冷卻潤滑液降低摩擦和熱量，從而減少刀具磨損。這種方法能有效地冷卻切削區(qū)域，降低切削溫度，延長刀具使用壽命。然而，濕切削需要大量冷卻潤滑液，可能引起環(huán)境污染，而且潤滑液的使用和處理也會(huì)帶來額外的成本。

3.3 冷氣切削

冷氣切削是通過將冷空氣吹送到切削區(qū)域來降低溫度的方式。它可以有效地減少切削溫度和刀具磨損，同時(shí)避免了冷卻潤滑液可能帶來的環(huán)境問題。然而，冷氣切削在高速切削中可能面臨挑戰(zhàn)，因?yàn)楦咚傧吕錃獾睦鋮s效果可能受限，導(dǎo)致仍需考慮其他潤滑方式的補(bǔ)充。

3.4 最小量潤滑

最小量潤滑是一種將微量潤滑劑精確地引入切削區(qū)域的方式。它結(jié)合了濕切削和干切削的優(yōu)點(diǎn)，旨在減少潤滑劑的使用量，同時(shí)保持切削區(qū)域的良好潤滑。最小量潤滑能有效降低切削溫度和磨損，但需要精確的潤滑系統(tǒng)控制，以確保潤滑劑的適量供應(yīng)。

4、不同潤滑方式對高速切削的影響

4.1 切削力分析

切削力是評價(jià)切削過程中刀具受到的力量的重要指標(biāo)。在干切削中，由于缺乏潤滑，摩擦增大，切削力相對較大。濕切削和最小量潤滑方式可以降低切削力，因?yàn)闈櫥瑒┠軌驕p少切削區(qū)域的摩擦。冷氣切削由于引入冷空氣，可以在一定程度上降低切削力。選擇合適的潤滑方式可以減少切削力對刀具的沖擊，有助于提高加工精度和刀具壽命[4]。

4.2 切削溫度分析

切削溫度是影響刀具和工件的加工質(zhì)量的重要因素。在干切削中，由于沒有潤滑劑降溫，切削溫度較高，容易引發(fā)刀具熱損傷和變形。濕切削通過冷卻潤滑液降低切削區(qū)域溫度，有效控制了切削溫度的上升。最小量潤滑方式則在減少切削溫度的同時(shí)，避免了過量的潤滑劑使用。冷氣切削也能一定程度上降低切削溫度，但在高速切削中的效果可能受限。

4.3 刀具磨損分析

刀具磨損是高速切削中需要關(guān)注的問題之一。在干切削中，刀具由于缺乏潤滑而容易磨損加劇。濕切削和最小量潤滑方式可以通過潤滑劑的作用，減少刀具與工件的直接摩擦，從而減少刀具磨損。冷氣切削也有助于減輕刀具的熱磨損，但在高速切削中仍需考慮其他潤滑方式的輔助。

4.4 切削精度分析

切削精度是衡量加工質(zhì)量的重要標(biāo)志。不同潤滑方式對切削精度有直接影響。在濕切削和最小量潤滑中，由于潤滑劑的降溫和潤滑效果，切削精度相對較高。干切削由于摩擦和熱損傷的影響，可能影響切削精度。冷氣切削由于其冷卻效果，也可以在一定程度上提高切削精度。

5、高速切削潤滑優(yōu)化策略

5.1 多種潤滑方式配合

在高速切削加工中，單一潤滑方式可能難以滿足所有需求。因此，將不同潤滑方式進(jìn)行有機(jī)組合，充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，是一種有效的優(yōu)化策略。例如，可以將濕切削與最小量潤滑方式結(jié)合，通過冷卻潤滑液的降溫作用，減輕刀具磨損，同時(shí)在刀具表面引入微量潤滑劑，減少摩擦和熱損傷。冷氣切削也可以作為附加手段，通過引入冷空氣進(jìn)一步降低切削區(qū)域溫度，提高切削效率。這種綜合應(yīng)用能夠在不同方面取得更好的效果，進(jìn)一步優(yōu)化切削加工。

5.2 潤滑參數(shù)優(yōu)化

潤滑參數(shù)的合理優(yōu)化是高速切削潤滑效果的關(guān)鍵。在實(shí)際應(yīng)用中，潤滑劑的種類、供給量、噴射角度等參數(shù)都會(huì)影響潤滑效果。為了獲得最佳效果，需要進(jìn)行精細(xì)調(diào)整和優(yōu)化。對于最小量潤滑，控制潤滑劑的噴射量，確保足夠的潤滑同時(shí)避免過量使用。在濕切削中，通過調(diào)整冷卻潤滑液的流量和溫度，使切削區(qū)域獲得適度的降溫和潤滑效果。這樣的優(yōu)化可以減少切削溫度、磨損和切削力，同時(shí)降低潤滑成本。

5.3 智能潤滑系統(tǒng)

智能潤滑系統(tǒng)利用傳感器、數(shù)據(jù)分析和自動(dòng)控制技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測切削過程中的參數(shù)，根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)調(diào)整潤滑方式和參數(shù)，以達(dá)到最佳的潤滑效果。在高速切削中，智能潤滑系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測切削力、切削溫度、刀具磨損等參數(shù)。通過對這些參數(shù)的分析，系統(tǒng)可以自動(dòng)切換不同潤滑方式，調(diào)整潤滑劑的供給量和噴射位置，以適應(yīng)切削條件的變化。例如，在切削力增大時(shí)，系統(tǒng)可以自動(dòng)增加潤滑劑的供給量，降低切削力的影響；在切削溫度升高時(shí)，系統(tǒng)可以調(diào)整冷卻潤滑液的流量，降低切削溫度[5]。智能潤滑系統(tǒng)的優(yōu)勢在于其實(shí)時(shí)性和自動(dòng)化程度。它能夠根據(jù)切削過程的實(shí)際情況，快速做出反應(yīng)，優(yōu)化潤滑效果。通過減少人工干預(yù)，還可以降低操作成本，提高加工效率。然而，智能潤滑系統(tǒng)的應(yīng)用也需要合理的設(shè)備投入和技術(shù)支持，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

5.4 先進(jìn)潤滑材料應(yīng)用

納米潤滑材料是近年來潤滑領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。納米顆粒能夠在切削過程中填充刀具與工件之間的微小間隙，減少摩擦，并且具有優(yōu)異的熱傳導(dǎo)性能，有助于降低切削溫度。通過將納米顆粒添加到潤滑劑中，可以顯著提升潤滑效果，減少刀具磨損和切削力。固體潤滑薄膜也是一種應(yīng)用前景廣闊的先進(jìn)潤滑材料。這些薄膜可以通過物理氣相沉積等方法制備在刀具表面，形成一層保護(hù)膜，減少刀具與工件之間的直接接觸，從而減少摩擦和磨損。這種薄膜具有較好的耐熱性和耐磨性，能夠在高速切削中穩(wěn)定發(fā)揮潤滑作用。潤滑固體潤滑材料在高溫高壓條件下能夠產(chǎn)生一層潤滑膜，有助于減少切削溫度和刀具磨損。在高速切削中，這種潤滑方式可以有效地降低切削溫度，提高切削精度和延長刀具使用壽命。然而，先進(jìn)潤滑材料的應(yīng)用也需要考慮其制備成本、穩(wěn)定性和實(shí)際效果等因素。在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮不同材料的特性，選擇最適合的潤滑材料，以實(shí)現(xiàn)在高速切削中的最佳性能。

5.5 潤滑失敗預(yù)警與應(yīng)急響應(yīng)

預(yù)警系統(tǒng)可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測切削力的變化來察覺異常情況。如果切削力突然增大，可能意味著潤滑不足或失效，導(dǎo)致摩擦增加。同樣，切削溫度的升高也可能是潤滑失效的標(biāo)志，因?yàn)橛行У臐櫥軌驇椭鋮s切削區(qū)域。預(yù)警系統(tǒng)通過與預(yù)設(shè)的安全閾值比較這些參數(shù)，能夠發(fā)現(xiàn)異常并發(fā)出警報(bào)。潤滑失效往往會(huì)導(dǎo)致刀具磨損加劇。通過定期監(jiān)測刀具的磨損情況，預(yù)警系統(tǒng)可以判斷潤滑是否正常工作。如果刀具磨損速度明顯加快，可能意味著潤滑失效，導(dǎo)致刀具與工件之間的摩擦增加，進(jìn)而影響切削質(zhì)量。一旦預(yù)警系統(tǒng)探測到潤滑失效的跡象，它應(yīng)該能夠自動(dòng)發(fā)出警報(bào)。這可以通過聲音、光閃或信息通知等方式實(shí)現(xiàn)。及時(shí)的警報(bào)可以提醒操作人員注意問題，并迅速采取應(yīng)對措施，避免加工質(zhì)量下降或刀具嚴(yán)重?fù)p壞。應(yīng)急響應(yīng)措施也是潤滑優(yōu)化策略的重要組成部分。一旦潤滑失效發(fā)生，需要迅速采取行動(dòng)，以避免產(chǎn)生更嚴(yán)重的后果。以下是應(yīng)急響應(yīng)措施的一些關(guān)鍵點(diǎn)：當(dāng)潤滑失效被確認(rèn)后，可以立即停機(jī)檢查刀具和切削區(qū)域的狀況。這可以幫助確定問題的具體原因，并評估刀具和工件是否已受到損害。如果有必要，可以更換刀具或采取其他措施，確保加工的繼續(xù)進(jìn)行。在切削過程中，如果潤滑失效，可以考慮通過增加潤滑劑的供給量或調(diào)整潤滑參數(shù)來臨時(shí)彌補(bǔ)。雖然這可能不是長期解決方案，但可以在找到更好的解決方法之前保障加工的進(jìn)行。例如，可以增加冷卻潤滑液的流量，或者調(diào)整潤滑劑的噴射位置，以減輕摩擦和熱損傷。提前準(zhǔn)備好備用的刀具和潤滑劑，可以在潤滑失效時(shí)快速切換，以減少停機(jī)時(shí)間。備用刀具應(yīng)經(jīng)過充分的檢驗(yàn)和調(diào)試，確保其適用于當(dāng)前的加工任務(wù)。

6 、結(jié)束語

綜上所述，潤滑優(yōu)化并非一蹴而就的過程，需要綜合考慮加工條件、切削材料、刀具類型等多個(gè)因素，并結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。未來，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，潤滑領(lǐng)域?qū)⒗^續(xù)迎來新的突破和可能性，為高速切削加工帶來更多的優(yōu)化方案。通過不斷深入研究和實(shí)驗(yàn)，可以進(jìn)一步提高高速切削的效率和質(zhì)量，推動(dòng)制造業(yè)的進(jìn)步與發(fā)展。

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