创新技术改变冷却液的使用

    几十年来，冷却液在金属切削中一直发挥着重要作用，主要用于切削区域和零件的散热。过去，如果冷却不良，很快就会出现断刀现象；而如今，由于现代刀具材料的热硬度大，一般的加工作业并不依赖冷却液，干式加工通常成为较好的替代方案。

    加工一些要求很高的材料、内圆车削的排屑和某些工序中需要保持热稳定性时，为降低温度，冷却液仍然发挥着至关重要的作用。高压冷却（HPC）作为一种提高生产效率的手段，广泛应用于不同的卷屑效果中。

    为了适应较高温度的要求，硬质合金刀具的发展使刀具硬度得到大幅提高，从而获得更大的金属去除率和更长的刀具使用寿命。但是使用冷却液弊大于利，由于切削部位浸入冷却液的深度不高，在高温区域冷却液蒸发，冷却效果并不明显。在很多铣削工序中，持续的刀片吃刀增加了热量的变化，导致了切削刃材料的温度波动和磨损加快，因此冷却液最初还被认为有副作用。在加工过程中和加工后，如果冷却液在降低零件上积聚的热量方面发挥更大作用，就意味着零件可保持更加稳定的温度和外形尺寸。

    山特维克可乐满早期在深孔钻削中使用过冷却液。七十年代时，发明了喷吸钻，即采用两根相同的管道提供冷却液和排屑，形成“文丘里效应”。这是一种喷射效应，冷却液的喷射速度随着横截面积的减小而减小。冷却液泵入内管和外管之间，通过“文丘里效应”在内管的前半部分形成负压，使部分碎屑随冷却液通过内管吸出。

    1984年，高压冷却（HPC）喷射用于车削加工石油行业零件的材料，这些材料加工要求严苛，断屑材料坚硬。从1985年开始，高压冷却在航空工业某些领域的应用取得了巨大成功。尽管仍处于研发阶段，但人们积累了丰富的经验；1990年推出Coromant Capto模块化工具系统时，采用了带内冷的快换工具系统，这种冷却方式后来成为高压冷却（HPC）的组成部分。采用这种刀具系统后，机床制造厂马上相继跟进，在所生产的机床上使用HPC，再无需使用外管和接头。

    九十年代，通过与科研院所通力合作，大规模地研发高压射流助推车床。研发的主要目的之一是车削过程中铝合金的断屑。高压冷却（HPC）助推车床的一项重要研究成果是切削部位的温度比预期低得多。由此得出一个结论，即高压冷却对难加工材料很有效，能降低切削区域的温度，改善切削参数，从而提高生产效率。

    在1999年召开的工业工具系统第三次国际会议上，发表了一篇关于冷却液的联合科研项目论文，文中详细阐述了使用压力为400～3,000 bar冷却液的研发。论文研究重点是切屑的形成、温度和刀具使用寿命。研究成果表明，这种技术对通过改进切削速度和进给量从而提高生产效率是很有潜力的。九十年代末，有些机床制造商也开始对高压冷却（HPC）加工产生兴趣。典型的例子来自一家意大利的机床厂商，该公司从事汽车行业专用机床的制造，采用可乐满Capto后，通过80～450 bar的高压冷却，使非合金钢车削性能得到了明显的改善。

    与此同时，优化高压冷却（HPC）射流在车削钛合金和Inco
nel 901等金属时的断屑以及延长刀具寿命方面的研发在不断推进。这仍基于Coromant Capto技术，使用的压力范围为100-1,000 bar，冷却液流量为2～5 l/min。其效果完全可与压力为0.5～80bar、流量为30～40 L/min的传统冷却液的效果相比。喷嘴技术对于实现最佳射流至关重要，尽管这一技术在切削刃对准方面还没有尽善尽美，但在此阶段还是取得了举世瞩目的进展，即刀具使用寿命更长，切削速度更快，产生的切屑更短。

    当冷却液射流经过切削区域时，在切削刃与切屑之间形成一个“液压楔”。液压楔的压力充当切屑的杠杆，改变了其成形和接触长度。作用力位置沿切屑宽度方向随射流的位置和压力变化而变化，增加多股射流造成切屑的聚积效应，便于热量管理。为了实现高压冷却（HPC）的最佳性能，了解液压楔形状、位置和效应尤为关键。喷嘴技术成了开发目标的重中之重，而其成功与否的关键是冲击位置的组合和射流类型。这个科研成果成为后来开发高、低压车床和铣床时的标准以及订制的高压冷却（HPC）工具系统的依据。

    山特维克可乐满在超高压冷却液（射流的冷却液压力为80～1000bar）方面的研发成果形成了Jetbreak理念。这种理念仍基于Coromant Capto技术，因为它从技术上可密封达超高压力冷却液的机床接口，且对机床接口的功能和稳定性无任何影响。该接口能采用四个通道和四股射流的系统，为快速换刀打下了坚实的基础。

    Jetbreak专门针对航空工业和能源行业的立式车床加工，设计的一根柱塞成功解决了技术难题，提高了生产效率。这种技术能够很好地控制温度和切屑，大大改善零件质量，可专门解决难加工材料和切屑难控制的车削加工。

    喷嘴技术对性能优化非常关键。为了实现射流压力、流量、速度和动力的平衡，采用了各种各样的喷嘴直径，通过“可变卷屑槽”形成切屑，并按期望的方向排屑。Jetbreak技术极适合加工超合金、钛合金和延展性材料。快速换刀是这种方案的重要组成部分，在自动化生产中十分安全可靠。另外，工艺和应用支持也是一个重要因素。通常来说，采用Jetbreak 技术可使切削速度翻番（如在车削 Inco 718材料时，切削速度可从50m/min提高至100 m/min），其中部分原因是切削部位的冷却效果好。但Jetbreak技术只局限于静态应用的立式车床，对车床中心和多任务机床而言还有很大的开发潜力。

    如今，机床的高压冷却条件发生了很大变化。大约四分之一的车床冷却液压力为70bar，而几乎所有的多任务机床都采用高压冷却（HPC），机床冷却压力水平呈明显上升的趋势。

    在这种背景下，为了适应更加广泛的应用和更多机床的需求，同时作为标准刀具编程的一部分，开发HPC刀具系统便是顺理成章的事情。山特维克可乐满已经开发并推出了一款刀具程序，使用简单，主要用于最大冷却液压力为80bar的车床。针对外圆车削和内孔车削的CoroTurn HP标准方案，对只采用低压冷却液的机床来说也很有优势。HP刀具采用固定喷嘴技术，喷出高速的平行层流射流，可准确对准刀片需要冷却的位置。射流的精度和特性使得这项技术与众不同。当机床冷却液压力大于或等于70bar时，HPC工具系统的优势可发挥得更好。冷却液压力较低，尽管对标准系列刀具有积极作用，但是不能发挥出全部潜力。进一步的创新已经提高了应用高压冷却（HPC）的可能性，这是由于对刀片槽形的研究进一步改善了冷却效果。

    完全的创新技术包括专用的可转位刀片，开发这种刀片的目的是充分利用带有高压冷却液的车床。传统的刀片不适合冷却液射流技术，所以需要采用刀柄的HPC刀片非常畅销。新型CoroTurn HP刀片能有效地利用高压冷却液，从而有助于射流渗入切削部位。这些刀片还可克服HPC在使用传统刀片槽形时出现的一些副作用。为了满足冷却液的工作压力在30bar以上（最佳状态在70bar以上）的要求，HPC车床因此而诞生，在同时使用HP喷嘴技术和专用刀片时，这种车床很有竞争优势。

    专门开发的刀片上的断屑槽外缘经过倒圆处理，无论是进行中等精车还是精车时，性能都同样出色。槽形设计能“收集”冷却液射流，形成有效的液压楔。这种技术延长了刀具的使用寿命，加大了对切屑形成的控制，不仅可以用于车削延展性非常大的金属、不锈钢和超合金，而且在车削广泛使用的不锈钢方面具有独特优势。但是，采用这种技术铣削钛合金还与所使用的冷却液有关，冷却液应用越成熟，性能就越好。在铣削时，70～80bar压力的高压冷却（HPC）应用最适当。因此，高压冷却已成为当今众多采用旋转刀具的机床的标准配置，这是对钛合金零件的径向铣削优化的潜在资源。

    在研发CoroMill 690的过程中，设计了专用于钛合金铣削的可转位刀片、长刃铣刀以及冷却液通道和喷嘴，为每片刀片提供HPC效应。由于多个刀片沿着铣刀形成径向刃口，冷却液喷嘴在定位时，能够确保最优化的效果。在无需使用铣刀的整个轴向深度的情况下，可以使用塞子代替喷嘴，这样可避免不必要的空喷射而浪费冷却液压力。供应适量的冷却液是HPC的一个重要考虑因素，因此，为了根据机床类型、切削参数、轴向切深和刀具特性提供喷嘴射流的最佳数据，开发了专门的流量和压力计算器。

    各种验证试验和应用表明，这种技术大大加快了难加工材料的切削速度，刀具的使用寿命延长一半以上。另一优点是改善了切屑控制，消除了加工区域和排屑通道的许多问题。山特维克可乐满拥有几十年利用高压冷却（HPC）射流进行加工的创新和经验，现在已经得到广泛的应用，并不局限于难加工材料，普通材料同样适用。