刀具润滑方式对高速切削加工的影响与优化
2024-8-1 来源：航空工业沈阳飞机工业（集团）有限公司 作者：赵国峰，王金财，张秀云
【摘要】随着制造业的发展，高速切削加工作为一种高效率、高精度的加工方法，受到了广泛关注。刀具润滑作为高速切削过程中的重要环节，对加工效率、切削质量和刀具寿命有着显著影响。探讨了不同刀具润滑方式对高速切削加工的影响，并提出了优化策略，以期进一步提升加工效率和质量。
关键词：高速切削；刀具润滑；加工效率；切削质量；优化策略
1、引言
高速切削加工作为现代制造业中一种重要的加工方式，以其高效率、高精度的特点，广泛应用于航空航天、汽车、模具等领域[1]。然而，随着切削速度的增加，刀具在加工过程中面临着更严峻的磨损、热损伤等问题，不仅影响了加工质量，还降低了刀具的寿命。因此，刀具润滑在高速切削中变得尤为重要，它不仅能有效降低切削力、切削温度，还能减少刀具磨损，从而提高加工效率和降低成本[2]。
2、 高速切削加工机理分析
2.1 高速切削加工特点
高速切削加工是一种迅速发展的加工方法，其核心在于以高切削速度迅速完成金属加工任务。相对于传统切削，高速切削加工的主要特点包括极高的切削速度，这导致了加工时间的显著缩短，从而有助于减少工件加热和变形，提高加工的精度。然而，高切削速度也引发了切削力增大、刀具磨损加剧和切削温度升高等问题[3]。
2.2 高速切削过程对刀具的影响
在高速切削过程中，刀具面临着多重挑战，其中之一是巨大的切削力。由于切削速度的增加，切削力相应增大，这可能导致刀具磨损加剧，从而影响加工的质量。此外，高切削速度还引发了切削温度的显著升高，这可能导致刀具的热疲劳和变形，加剧刀具失效的风险。
2.3 高速切削对润滑的要求
在高速切削中，切削界面的摩擦热量迅速增加，因此有效的润滑方式至关重要。润滑不仅需要降低切削温度，还要减少切削力，延长刀具寿命。因此，润滑剂需要具备良好的热稳定性，能够在高温环境下保持其性能。此外，润滑剂还应具有良好的附着性和扩散性，以确保刀具表面和切削区域得到充分润滑，从而提高切削效率。
3、常用刀具润滑方式比较分析
3.1 干切削
干切削是一种不使用任何外部润滑剂的切削方式，直接在无润滑条件下进行加工。虽然干切削操作简便，但在高速切削中存在一些问题。一方面，由于缺乏润滑，切削过程中摩擦和热量积聚，容易导致刀具过热和磨损加剧。另一方面，切削力相对较大，可能影响加工精度。尽管干切削在一些场景下可以应用，但在高速切削中的效果受限。
3.2 湿切削
湿切削通过在切削区域引入冷却润滑液降低摩擦和热量，从而减少刀具磨损。这种方法能有效地冷却切削区域，降低切削温度，延长刀具使用寿命。然而，湿切削需要大量冷却润滑液，可能引起环境污染，而且润滑液的使用和处理也会带来额外的成本。
3.3 冷气切削
冷气切削是通过将冷空气吹送到切削区域来降低温度的方式。它可以有效地减少切削温度和刀具磨损，同时避免了冷却润滑液可能带来的环境问题。然而，冷气切削在高速切削中可能面临挑战，因为高速下冷气的冷却效果可能受限，导致仍需考虑其他润滑方式的补充。
3.4 最小量润滑
最小量润滑是一种将微量润滑剂精确地引入切削区域的方式。它结合了湿切削和干切削的优点，旨在减少润滑剂的使用量，同时保持切削区域的良好润滑。最小量润滑能有效降低切削温度和磨损，但需要精确的润滑系统控制，以确保润滑剂的适量供应。
4、不同润滑方式对高速切削的影响
4.1 切削力分析
切削力是评价切削过程中刀具受到的力量的重要指标。在干切削中，由于缺乏润滑，摩擦增大，切削力相对较大。湿切削和最小量润滑方式可以降低切削力，因为润滑剂能够减少切削区域的摩擦。冷气切削由于引入冷空气，可以在一定程度上降低切削力。选择合适的润滑方式可以减少切削力对刀具的冲击，有助于提高加工精度和刀具寿命[4]。
4.2 切削温度分析
切削温度是影响刀具和工件的加工质量的重要因素。在干切削中，由于没有润滑剂降温，切削温度较高，容易引发刀具热损伤和变形。湿切削通过冷却润滑液降低切削区域温度，有效控制了切削温度的上升。最小量润滑方式则在减少切削温度的同时，避免了过量的润滑剂使用。冷气切削也能一定程度上降低切削温度，但在高速切削中的效果可能受限。
4.3 刀具磨损分析
刀具磨损是高速切削中需要关注的问题之一。在干切削中，刀具由于缺乏润滑而容易磨损加剧。湿切削和最小量润滑方式可以通过润滑剂的作用，减少刀具与工件的直接摩擦，从而减少刀具磨损。冷气切削也有助于减轻刀具的热磨损，但在高速切削中仍需考虑其他润滑方式的辅助。
4.4 切削精度分析
切削精度是衡量加工质量的重要标志。不同润滑方式对切削精度有直接影响。在湿切削和最小量润滑中，由于润滑剂的降温和润滑效果，切削精度相对较高。干切削由于摩擦和热损伤的影响，可能影响切削精度。冷气切削由于其冷却效果，也可以在一定程度上提高切削精度。
5、 高速切削润滑优化策略
5.1 多种润滑方式配合
在高速切削加工中，单一润滑方式可能难以满足所有需求。因此，将不同润滑方式进行有机组合，充分发挥各自的优势，是一种有效的优化策略。例如，可以将湿切削与最小量润滑方式结合，通过冷却润滑液的降温作用，减轻刀具磨损，同时在刀具表面引入微量润滑剂，减少摩擦和热损伤。冷气切削也可以作为附加手段，通过引入冷空气进一步降低切削区域温度，提高切削效率。这种综合应用能够在不同方面取得更好的效果，进一步优化切削加工。
5.2 润滑参数优化
润滑参数的合理优化是高速切削润滑效果的关键。在实际应用中，润滑剂的种类、供给量、喷射角度等参数都会影响润滑效果。为了获得最佳效果，需要进行精细调整和优化。对于最小量润滑，控制润滑剂的喷射量，确保足够的润滑同时避免过量使用。在湿切削中，通过调整冷却润滑液的流量和温度，使切削区域获得适度的降温和润滑效果。这样的优化可以减少切削温度、磨损和切削力，同时降低润滑成本。
5.3 智能润滑系统
智能润滑系统利用传感器、数据分析和自动控制技术，实时监测切削过程中的参数，根据实际情况自动调整润滑方式和参数，以达到最佳的润滑效果。在高速切削中，智能润滑系统可以实时监测切削力、切削温度、刀具磨损等参数。通过对这些参数的分析，系统可以自动切换不同润滑方式，调整润滑剂的供给量和喷射位置，以适应切削条件的变化。例如，在切削力增大时，系统可以自动增加润滑剂的供给量，降低切削力的影响；在切削温度升高时，系统可以调整冷却润滑液的流量，降低切削温度[5]。智能润滑系统的优势在于其实时性和自动化程度。它能够根据切削过程的实际情况，快速做出反应，优化润滑效果。通过减少人工干预，还可以降低操作成本，提高加工效率。然而，智能润滑系统的应用也需要合理的设备投入和技术支持，以确保系统的稳定性和可靠性。
5.4 先进润滑材料应用
纳米润滑材料是近年来润滑领域的研究热点之一。纳米颗粒能够在切削过程中填充刀具与工件之间的微小间隙，减少摩擦，并且具有优异的热传导性能，有助于降低切削温度。通过将纳米颗粒添加到润滑剂中，可以显著提升润滑效果，减少刀具磨损和切削力。固体润滑薄膜也是一种应用前景广阔的先进润滑材料。这些薄膜可以通过物理气相沉积等方法制备在刀具表面，形成一层保护膜，减少刀具与工件之间的直接接触，从而减少摩擦和磨损。这种薄膜具有较好的耐热性和耐磨性，能够在高速切削中稳定发挥润滑作用。润滑固体润滑材料在高温高压条件下能够产生一层润滑膜，有助于减少切削温度和刀具磨损。在高速切削中，这种润滑方式可以有效地降低切削温度，提高切削精度和延长刀具使用寿命。然而，先进润滑材料的应用也需要考虑其制备成本、稳定性和实际效果等因素。在实际应用中，需要综合考虑不同材料的特性，选择最适合的润滑材料，以实现在高速切削中的最佳性能。
5.5 润滑失败预警与应急响应
预警系统可以通过实时监测切削力的变化来察觉异常情况。如果切削力突然增大，可能意味着润滑不足或失效，导致摩擦增加。同样，切削温度的升高也可能是润滑失效的标志，因为有效的润滑能够帮助冷却切削区域。预警系统通过与预设的安全阈值比较这些参数，能够发现异常并发出警报。润滑失效往往会导致刀具磨损加剧。通过定期监测刀具的磨损情况，预警系统可以判断润滑是否正常工作。如果刀具磨损速度明显加快，可能意味着润滑失效，导致刀具与工件之间的摩擦增加，进而影响切削质量。一旦预警系统探测到润滑失效的迹象，它应该能够自动发出警报。这可以通过声音、光闪或信息通知等方式实现。及时的警报可以提醒操作人员注意问题，并迅速采取应对措施，避免加工质量下降或刀具严重损坏。应急响应措施也是润滑优化策略的重要组成部分。一旦润滑失效发生，需要迅速采取行动，以避免产生更严重的后果。以下是应急响应措施的一些关键点：当润滑失效被确认后，可以立即停机检查刀具和切削区域的状况。这可以帮助确定问题的具体原因，并评估刀具和工件是否已受到损害。如果有必要，可以更换刀具或采取其他措施，确保加工的继续进行。在切削过程中，如果润滑失效，可以考虑通过增加润滑剂的供给量或调整润滑参数来临时弥补。虽然这可能不是长期解决方案，但可以在找到更好的解决方法之前保障加工的进行。例如，可以增加冷却润滑液的流量，或者调整润滑剂的喷射位置，以减轻摩擦和热损伤。提前准备好备用的刀具和润滑剂，可以在润滑失效时快速切换，以减少停机时间。备用刀具应经过充分的检验和调试，确保其适用于当前的加工任务。
6 、结束语
综上所述，润滑优化并非一蹴而就的过程，需要综合考虑加工条件、切削材料、刀具类型等多个因素，并结合实际情况进行调整。未来，随着技术的不断发展和创新，润滑领域将继续迎来新的突破和可能性，为高速切削加工带来更多的优化方案。通过不断深入研究和实验，可以进一步提高高速切削的效率和质量，推动制造业的进步与发展。
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