液氮冷卻車削新工藝ICEFLY
發(fā)布日期：2011-11-25 蘭生客服中心 瀏覽：2298
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一項(xiàng)新的硬車加工工藝即將問世，其開發(fā)者稱它可以將粗磨時(shí)間從原來(lái)的4小時(shí)降低到15分鐘。此外，該工藝還被認(rèn)為可以將刀具成本降低85%，同時(shí)改善工件公差及表面粗糙度。
該工藝是由哈挺公司與空氣產(chǎn)品及化學(xué)物質(zhì)有限公司(Air Products and Chemicals Inc.)共同開發(fā)的，原理是在車削操作中在切口處導(dǎo)入液態(tài)氮。在該工藝中，液態(tài)氮能將切削刀具冷卻到非常低的溫度，并阻止在工件中形成溫升現(xiàn)象，提高切削操作效率，產(chǎn)生巨大的好處。
該工藝被稱作“IceFly”，據(jù)空氣產(chǎn)產(chǎn)品公司IceFly的技術(shù)主管Ranajit Ghosh說(shuō)，該工藝可以用于替代粗磨操作，在硬度為78Rc的材料粗加工操作中可以將公差保持在0.008英寸，同時(shí)提高切深和主軸速度。
ICEFLY(R) Machining Technology
Ghosh在次采訪中說(shuō)，空氣產(chǎn)品公司大約于5年前開發(fā)出在切削操作中應(yīng)用液態(tài)氮的該工藝。在切削中采用液態(tài)氮原來(lái)是開發(fā)用于加工制作扁鋼的重型工藝輥及支撐輥的。這些輥?zhàn)邮怯秒y加工淬硬工其鋼制造的。Ghosh說(shuō)其公司的冷卻工藝當(dāng)前正在美國(guó)5臺(tái)生產(chǎn)這種輥?zhàn)拥臋C(jī)床上使用。
空氣產(chǎn)品公司與哈挺之間的合作使得該工藝應(yīng)用到了更寬闊的市場(chǎng)及更小的零件上。
小零件，大挑戰(zhàn)
給各種各樣的零件硬車操作進(jìn)行低溫冷卻不是件簡(jiǎn)單的事情。當(dāng)在加工過程中導(dǎo)入極低溫液體時(shí)，液體容易快速達(dá)到自己的沸點(diǎn)(氮的沸點(diǎn)為-320華氏度或-196攝氏度)。在液體與溫度比液體高得多的刀具及工件之間會(huì)形成一個(gè)氣體層，該氣體層將成為熱屏障。
對(duì)這個(gè)問題，空氣產(chǎn)品公司找到了解決方案，Ghosh說(shuō)：“該工藝并不是僅僅往工件上倒液態(tài)氮那么簡(jiǎn)單。在這樣做的過程中，會(huì)形成氣體分界層，該分界層會(huì)降低傳熱效率，幾乎會(huì)消除(從工件)傳熱的能力。”
空氣產(chǎn)品公司開發(fā)了一種兩相系統(tǒng)，其中在液態(tài)氮中懸置專用固體粒子。結(jié)合擊打刀具和工件的氣體的速度，這些粒子會(huì)破壞氣體分界層。液態(tài)氮通過可以調(diào)整其流速的噴嘴噴到刀具和工件上。
Ghosh說(shuō)，噴嘴附在刀其轉(zhuǎn)塔上，液態(tài)氮從儲(chǔ)箱中供應(yīng)。噴嘴將液態(tài)氮直接噴到刀具前傾面上。
優(yōu)勢(shì)
冷液體可以去除切削過程中產(chǎn)生的熱，將工件保持恒溫。哈挺的高級(jí)應(yīng)用工程師Tom Sheehy說(shuō)，讓工件保持恒溫可以保障恒定的切削條件，從而維持精確的公差，即使切深比通常的更深也可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。
此外，液態(tài)氮還將刀具保持在極冷狀態(tài)。Ghosh說(shuō)低溫冷凍改變了陶瓷刀其的特征，使它們變得更硬、更韌。Sheehy說(shuō)．這樣陶瓷刀具可以以0.003～0.005英寸的切深切割硬度超過78Rc的硬質(zhì)合金材料。Sheehy補(bǔ)充說(shuō)，陶瓷刀具的低溫制冷還可以對(duì)那些淬硬材料進(jìn)行斷續(xù)切割。Sheehy 說(shuō)：“低溫冷卻使陶瓷刀具強(qiáng)度更高，韌度更大，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，同時(shí)性能還更好。”
第三個(gè)加工方面的好處是冷的氮?dú)饪梢源憷涔ぜ�，提高表面硬度�?/div>
表面質(zhì)量的改善
Ghosh說(shuō)：“在實(shí)踐中我們已經(jīng)在加工好的零件中發(fā)現(xiàn)表面和次表面硬度提高，壓縮殘余應(yīng)力提高，同時(shí)白色層減少。”他解釋說(shuō)，壓縮殘余應(yīng)力的增加使零件提高了疲勞強(qiáng)度。“白色層”指的是，在加工件表面，受熱影響的金屬中發(fā)現(xiàn)的未蝕刻的脆層，人們相信該層是在特定加工條件及采用特定切削刀具時(shí)，在某些鋼成分中形成的。
Ghosh說(shuō)．提高壓縮殘余應(yīng)力和減少白色層可以提高加工件的耐磨和耐疲勞屬性。
這些好處改變了粗切硬材料，諸如鈷或鉻含量比較高的工具鋼和工具鐵或碳化鎢及鎢鋼等的加工程序。他說(shuō)，該工藝還可以用于加工多孔材料，諸占如粉未金屬產(chǎn)品，以及其他難加工材料，諸如金屬基質(zhì)復(fù)合材料等。Ghosh說(shuō)：“沒有任何其他工藝可以應(yīng)用到所有這些場(chǎng)合。”此外，他補(bǔ)充道，該工藝很環(huán)保，并且很容易通過改裝方式加到現(xiàn)有機(jī)床上。
試驗(yàn)
空氣產(chǎn)品公司與哈挺在前者位于賓夕法尼亞州Allentown的公司現(xiàn)場(chǎng)，在一臺(tái)試驗(yàn)性車床上試驗(yàn)了該工藝，哈挺的交鑰匙工程經(jīng)理Jeff Thomason說(shuō)，在此他們正在以試驗(yàn)方式證明該概念。他提到：“我們將它看作是一種可以替代硬磨的工藝。”
哈挺正尋求在多種行業(yè)、各種產(chǎn)品上應(yīng)用該工藝，但是，由于它可以很好地切割極硬材料及稀有材料，第一大應(yīng)用領(lǐng)域可能是航空及醫(yī)療市場(chǎng)或用非常硬的材料生產(chǎn)刀具。Thomason說(shuō)：“該工藝并非特定行業(yè)才可用。”
Thomason和Sheehy拒絕談及該工藝的安裝和使用成本，但是他們說(shuō)對(duì)于不同的應(yīng)用場(chǎng)合成本是不同的。此外，Thomason說(shuō)，該工藝預(yù)計(jì)的投資回報(bào)也會(huì)因應(yīng)用場(chǎng)合不同而不同。”
他說(shuō)：“僅僅因?yàn)榈毒邏勖岣呒暗镀湍バ阅芗訌?qiáng)，該工藝有可能立即實(shí)現(xiàn)巨大報(bào)償。”而Sheehy補(bǔ)充道，哈挺已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，該工藝將粗磨零件的時(shí)間已經(jīng)從4小時(shí)縮短到15分鐘，粗加工時(shí)間幾乎縮短了95%。此外，他說(shuō)，車出來(lái)的零件公差與粗磨的毫無(wú)二致。最后，他說(shuō)，在該工件中，IceFIy工藝采用了廉價(jià)的陶瓷刀片而不是CBN刀具。
Sheehy說(shuō)“采用液態(tài)氮成本有所增加，但是這種增加卻完全被循環(huán)時(shí)間的縮短以及刀具成本的降低所抵消。”
Ghosh說(shuō)空氣產(chǎn)品公司針對(duì)IceFIy工藝，持有或者已經(jīng)采用9大專利，并且這些專利既涵蓋該工藝，也涵蓋了公司為該工藝而開發(fā)的設(shè)備。Thomason說(shuō)，對(duì)于硬車應(yīng)用領(lǐng)域，現(xiàn)在已經(jīng)可以從市場(chǎng)上購(gòu)買到該工藝。
Ghosh說(shuō)．他相信可以對(duì)其他加工過程諸如銑削開發(fā)液態(tài)氮工藝，但足為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，需要進(jìn)行一定的開發(fā)工作。
優(yōu)勢(shì)
·硬材料的粗切削時(shí)間降低到了以前的1/16。
·提高了表面硬度，耐磨及疲勞強(qiáng)度。
·刀具成本降低85%。
需要權(quán)衡的方面：
·改造機(jī)床需要發(fā)生成本。
·每個(gè)零件的加工成本增加。
·投資回報(bào)率依據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同而不同。
·(當(dāng)前)僅適合車削操作。
