喷射冷却技术“Jet Tech Holder”
2018-02-02

近年来,以飞机产业为中心,对难切削材料的高效率加工需求高涨,制造商需要能在高切削条件下长期使用的工具。在这种难切削材料的加工中,采用高压冷却液的车刀夹逐渐开始得到应用。不过,目前该工具虽然对提高切屑的处理效率有一定的效果,但难以稳定提高工具的寿命。而且,使用高压冷却液需要特殊的设备,因此很多加工现场都渴望着能以通用设备改善耐磨损性的车刀夹。东京大学教授带川利之与3位三菱公司开发组成员合作开发出了极为有效的冷却技术。

(从左至右)今井康晴,新一代加工小组开发员,1991年进入公司;清水博康,新一代加工小组组长,1993年进入公司;带川利之,东京大学生产技术研究所,机械与生物系统部门教授;高桥秀史,新一代加工小组开发组组长,2000年进入公司

由于加工难切削材料时存在工具寿命明显降低的问题,因此公司着手开发新型冷却技术“Jet Tech”。考虑到要想开发有竞争力的新产品,光凭公司内部的资源不足以实现,因此在这种情况下,公司和东京大学的带川利之教授展开合作。当时带川利之教授正从事有助于改善难切削材料加工寿命的研究,即通过从后刀面喷射空气来对刀头进行空冷,从而延长工具寿命的研究。带川利之教授想通过冷却液的供应方法来寻找针对难切削材料加工的新解决方案,这种态度强烈吸引了新一代产品开发组长高桥秀史,于是从2008年开始双方共同进行研究。

当时,日本国内的工具制造商还没太关注冷却技术,很多公司并没有积极进行开发。在这种情况下,第一次听到关于这项共同研究的消息时高桥秀史觉得是一个非常有趣的想法,但同时也感到担心,不知道“能否变成实际产品,究竟能不能卖出去”。因为三菱的“新一代加工小组”这个部门开发的并不是2-3年以内上市并且畅销的产品,而是开发着眼于5年、10年后的工具和技术。虽然产品化存在难度,但感觉这项冷却技术正是符合“新一代加工”这个名称的题材。


开发过程中最大的转折点是,为了实现强力喷射冷却液,究竟是采用通过空气助力的方法还是直接加速切削液的方法。经过各种讨论之后,觉得应该优先实现不容易受客户的机床种类影响、在任何环境下都方便使用的特性,因而最终选择了切削液而不是空气助力。后面也存在大量课题,比如释放切削液的孔应该是什么形状,尺寸应该多大,需要多大的流量等等。三菱公司也积极引进了带川先生应用的流体分析技术,对解决这些问题起到了非常大的作用。历经艰辛,终于完成了Jet Tech的基本设计概念。接下来要正式面向量产化和产品化推进开发,公司任命今井康晴担任最为重要的设计工作的主要负责人。

今井先生表示,对工具形状的开发人员来说,开发车刀既没意思还很难。与备受欢迎的铣削产品不同,这是一个谁都不愿意主动涉足的领域。但在听取了高桥先生介绍Jet Tech的基本概念,并且得知基础效果已经进行过验证,开发组决定接受这一难题的挑战。

但是实现产品化的过程中困难重重,最大的难题就是释放冷却液的孔的形状无法通过机械加工制作。因为到目前为止并没有在距离刀头如此近的位置出现冷却孔的车刀夹,在普遍通过机械加工制造的车刀夹中,这种形状无法直接量产,也就是说,需要将这个部分制成独立的零部件。不过,由于三菱的“新一代加工小组”平时就一直想做别人从未做过的事,因此虽然史无前例,还是毅然决定制成能支持量产的零部件。

虽然无法通过机械加工完成孔的形状,但研发小组认为,即使机械加工没指望了,也要通过部件化来想办法。首先苦恼的是使用什么材料试制零部件。由于树脂3D打印机已经在其他开发品中得到使用,因此决定先用树脂来制造,看能不能像预想的那样释放冷却液,只是想先简单确认一下。但试制品实际完成后又有了其他想法。超越了最初的目的,想“实际试着切削一下看看”。结果不出所料,切屑的高温把孔熔开了。因此觉得“果然只能用金属试制!”,于是又设法寻找到了当时还比较罕见的金属3D打印机经销商,再次制造了试制品。利用3D打印机试制的优点是,能立即试制实物,然后实际进行测试和验证。随着3D打印机的普及,工具的开发时间自不必说,感觉很多行业的产品开发时间都会缩短。

开发之初采用的是能在自来水那样的常压下发挥效果的设计,但还有些客户是使用高压冷却液的。如果使用高压冷却液时喷嘴“砰”一下飞出来会很危险,因此中途改变了设计,变成了既能支持常压也能支持高压的形状。然而,在反复进行试制和验证的过程中发现,高压时,在车刀上固定零部件的螺丝会弯曲变形,于是又改良了螺丝。

试验过程中对产品的要求不断增加,规格经常被变更,使研发人员的工作量愈发繁重。即便如此,最后在“满足客户需求”这个信念的支持下,研发人员没有做任何妥协,而是不断对产品进行改进。

最终形状确定后,在各种切削条件下变更冷却液的种类和流量等反复进行了验证并在展会上对外进行了发布。会议室几乎满员,还有好多人提问,亲身感受到了客户有多关注。询问“在常压下也可以吗?”的人尤其多,对日本的工具制造商致力于新型冷却技术开发好像也比较关心。当时真心觉得幸亏坚持开发,没有放弃。

新型冷却技术“Jet Tech”的最大特点是,在刀夹前端设置了独创的L型喷嘴,能从刀片的后刀面方向朝着刀头附近强力喷射冷却液。一般采用向刀片的前刀面侧,或者反车刀的后刀面侧供应冷却液的方式。不过,如果从前刀面供应的话,切屑会造成阻挡。而如果从后刀面供应,由于原本就只有很小的缝隙,而且属于高速旋转的工件材料表面与工具后刀面接触的高温高压空间,冷却液无法进入。总之,冷却液无法到达本来想直接冷却的刀头附近。“Jet Tech”是通过对后刀面侧供应的冷却液施加“高压(高速)”,使冷却液能够到达高温刀头附近的技术。由此,成功地高效冷却了此前存在困难的高温刀头,最终提高了刀片的耐磨损性。经过确认,与从前刀面侧供液的普通外部供液相比,使用寿命可延长约30%-50%。

首先,率先开始了C形的销售,后来又推出W形、D形、S形、T形、V形,目前合计已经上市6种形状。今后还打算将该技术用于车刀夹以外的其他工具。虽然稍微偏离了竞争的意义,但感觉这项技术不应该是我们公司自己独享的。如果能作为基本的工具寿命延长技术之一而提高认知度,成为行业的标准,就可以为多数客户削减生产成本做出贡献。也就是说,希望将来能为切削加工行业整体做贡献。另外,与海外相比,感觉日本工具制造商的产学合作文化还比较落后,因此,想进一步增加此次这样的举措。


照片右侧为开发之初的试制品