液氮冷却车削新工艺ICEFLY

一项新的硬车加工工艺即将问世,其开发者称它可以将粗磨时间从原来的4小时降低到15分钟。此外,该工艺还被认为可以将刀具成本降低85%,同时改善工件公差及表面粗糙度。

该工艺是由哈挺公司与空气产品及化学物质有限公司(Air Products and Chemicals Inc.)共同开发的,原理是在车削操作中在切口处导入液态氮。在该工艺中,液态氮能将切削刀具冷却到非常低的温度,并阻止在工件中形成温升现象,提高切削操作效率,产生巨大的好处。

该工艺被称作“IceFly”,据空气产产品公司IceFly的技术主管RanajIT Ghosh说,该工艺可以用于替代粗磨操作,在硬度为78Rc的材料粗加工操作中可以将公差保持在0.008英寸,同时提高切深和主轴速度。
ICEFLY(R) Machining TechnologyGhosh在次采访中说,空气产品公司大约于5年前开发出在切削操作中应用液态氮的该工艺。在切削中采用液态氮原来是开发用于加工制作扁钢的重型工艺辊及支撑辊的。这些辊子是用难加工淬硬工其钢制造的。Ghosh说其公司的冷却工艺当前正在美国5台生产这种辊子的机床上使用。

空气产品公司与哈挺之间的合作使得该工艺应用到了更宽阔的市场及更小的零件上。

小零件,大挑战

给各种各样的零件硬车操作进行低温冷却不是件简单的事情。当在加工过程中导入极低温液体时,液体容易快速达到自己的沸点(氮的沸点为-320华氏度或-196摄氏度)。在液体与温度比液体高得多的刀具及工件之间会形成一个气体层,该气体层将成为热屏障。

对这个问题,空气产品公司找到了解决方案,Ghosh说:“该工艺并不是仅仅往工件上倒液态氮那么简单。在这样做的过程中,会形成气体分界层,该分界层会降低传热效率,几乎会消除(从工件)传热的能力。”

空气产品公司开发了一种两相系统,其中在液态氮中悬置专用固体粒子。结合击打刀具和工件的气体的速度,这些粒子会破坏气体分界层。液态氮通过可以调整其流速的喷嘴喷到刀具和工件上。

Ghosh说,喷嘴附在刀其转塔上,液态氮从储箱中供应。喷嘴将液态氮直接喷到刀具前倾面上。

优势

冷液体可以去除切削过程中产生的热,将工件保持恒温。哈挺的高级应用工程师Tom Sheehy说,让工件保持恒温可以保障恒定的切削条件,从而维持精确的公差,即使切深比通常的更深也可以实现这一点。

此外,液态氮还将刀具保持在极冷状态。Ghosh说低温冷冻改变了陶瓷刀其的特征,使它们变得更硬、更韧。Sheehy说.这样陶瓷刀具可以以0.003~0.005英寸的切深切割硬度超过78Rc的硬质合金材料。Sheehy补充说,陶瓷刀具的低温制冷还可以对那些淬硬材料进行断续切割。Sheehy说:“低温冷却使陶瓷刀具强度更高,韧度更大,所以可以不用100美元的立方氮化硼刀具而用15美元的陶瓷刀具,同时性能还更好。”

第三个加工方面的好处是冷的氮气可以淬冷工件,提高表面硬度。

表面质量的改善

Ghosh说:“在实践中我们已经在加工好的零件中发现表面和次表面硬度提高,压缩残余应力提高,同时白色层减少。”他解释说,压缩残余应力的增加使零件提高了疲劳强度。“白色层”指的是,在加工件表面,受热影响的金属中发现的未蚀刻的脆层,人们相信该层是在特定加工条件及采用特定切削刀具时,在某些钢成分中形成的。

Ghosh说.提高压缩残余应力和减少白色层可以提高加工件的耐磨和耐疲劳属性。

这些好处改变了粗切硬材料,诸如钴或铬含量比较高的工具钢和工具铁或碳化钨及钨钢等的加工程序。他说,该工艺还可以用于加工多孔材料,诸占如粉未金属产品,以及其他难加工材料,诸如金属基质复合材料等。Ghosh说:“没有任何其他工艺可以应用到所有这些场合。”此外,他补充道,该工艺很环保,并且很容易通过改装方式加到现有机床上。

试验

空气产品公司与哈挺在前者位于宾夕法尼亚州Allentown的公司现场,在一台试验性车床上试验了该工艺,哈挺的交钥匙工程经理Jeff Thomason说,在此他们正在以试验方式证明该概念。他提到:“我们将它看作是一种可以替代硬磨的工艺。”

哈挺正寻求在多种行业、各种产品上应用该工艺,但是,由于它可以很好地切割极硬材料及稀有材料,第一大应用领域可能是航空及医疗市场或用非常硬的材料生产刀具。Thomason说:“该工艺并非特定行业才可用。”

Thomason和Sheehy拒绝谈及该工艺的安装和使用成本,但是他们说对于不同的应用场合成本是不同的。此外,Thomason说,该工艺预计的投资回报也会因应用场合不同而不同。”

他说:“仅仅因为刀具寿命提高及刀片耐磨性能加强,该工艺有可能立即实现巨大报偿。”而Sheehy补充道,哈挺已经发现,该工艺将粗磨零件的时间已经从4小时缩短到15分钟,粗加工时间几乎缩短了95%。此外,他说,车出来的零件公差与粗磨的毫无二致。最后,他说,在该工件中,IceFIy工艺采用了廉价的陶瓷刀片而不是CBN刀具。

Sheehy说“采用液态氮成本有所增加,但是这种增加却完全被循环时间的缩短以及刀具成本的降低所抵消。”

Ghosh说空气产品公司针对IceFIy工艺,持有或者已经采用9大专利,并且这些专利既涵盖该工艺,也涵盖了公司为该工艺而开发的设备。Thomason说,对于硬车应用领域,现在已经可以从市场上购买到该工艺。

Ghosh说.他相信可以对其他加工过程诸如铣削开发液态氮工艺,但足为实现这一点,需要进行一定的开发工作。

优势

·硬材料的粗切削时间降低到了以前的1/16。
·提高了表面硬度,耐磨及疲劳强度。
·刀具成本降低85%。

需要权衡的方面:

·改造机床需要发生成本。
·每个零件的加工成本增加。
·投资回报率依据应用场合不同而不同。
·(当前)仅适合车削操作。
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