硬态切削中的冷却润滑技术

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1 前言
( X: N) z: M% v$ v5 x* U: F" q硬态切削中的金属软化效应是影响刀具寿命、工件表面的完整性、切削效率和加工精度的重要因素。由于硬态切削是通过使剪切部分的材料退火变软而形成切屑的，冷却效率过高，从而减小了由切削力而产生的切削效果，加大了机械磨损，缩短了刀具寿命。而在断续切削时，由于施加冷却，刀具承受的热循环加剧，会引起刀片材料发生热疲劳和过早破损。干式切削则提供了一种健康的制造环境，使工作更安全，避免化学物质的有害影响，全面保护生态环境，它已成为目前清洁制造研究的热点。但是在某些加工中完全实施不使用切削液的干式切削技术是比较困难的，因此美国职业安全和健康委员会(OSHA)根据调查提出了切削液使用的新概念，其中包括低温冷却、喷雾冷却(复合喷雾冷却)和将切削油剂用量控制在最小限度之内的微量冷却润滑技术(Minimum Quantit-Cutting Fluid Appli-cation，简称MQCFA)。
2 低温冷却技术
7 N. j( Z. W) v2 W为有效地降低在切削区产生的过高的温度，往往采用将液态气体直接传输到切削区和刀具切削刃附近的低温切削技术。低温切削(Cryogenic Machining)利用液态氮(-186℃)、液体CO2(-76℃)及其他低温液体的冷却特性，可极大地提高刀具寿命、加工精度、表面质量和生产效率，与干式切削相比可减小切削力10%～20%、磨削力60%左右，切削一般钢材时切削温度下降300～400℃。

% r" {+ ]; E# F6 u" n图1 低温冷却自动控制装置
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图2 干式切削与低温切削的切削温度分布
低温切装置的原理有以下几种：利用瓶装液体CO2的自喷对切削区直接冷却：用经干燥的空气维持杜瓦瓶的恒压，利用虹吸原理让压缩空气从瓶中抽出液态氮，经特制的喷嘴喷向切削区：采用液态氮或CO2从外部冷却工件，来达到降低切削区温度的目的。有的采用刀具内部制冷方法，甚至把刀具与冷冻机直接相连对刀具进行循环冷却，效果也很明显。实验证明，低温切削钛合金、不锈钢、高强度及耐磨铸铁等均能取得良好效果。图1为采用液态氮(LN)直接冷却刀头的低温切削自动控制装置，该装置是由美国Nebraska-Lincoln大学的王志勇博士开发研制的，它成功地解决了用PCBN刀具加工Si3N4陶瓷的难点。从图2中有限元模型的切削温度分布可以看出，采用低温冷却技术可降低PCBN刀头的温度，确保PCBN刀具的红硬性和金属软化效应，大大减少刀具的磨损。
实验还表明，低温冷却技术的实施有利于切屑的折断。普通碳素钢的力学性能极大地受切削温度的影响，在低温下易于脆裂，因此切屑在低温条件下呈脆性并比较容易折断，这为低温冷却在切削加工中有助于断屑提供了可行性的基础。
% B6 Z, y2 k" c3 喷雾冷却技术
4 g7 u8 Q& h# a7 L( Y! P7 c( T随着高速切削和强力切削的发展，刀具承受着比过去高得多的压力、摩擦力和温度，虽然刀具材料的进步极大地促进了切削效率的提高，但切削区的冷却始终是提高刀具寿命的一条重要措施。鉴于防止废弃切削液对环境的污染，采用喷雾冷却不失为一种较好的选择。喷雾冷却是利用雾滴汽化散热的方法来实现冷却的。汽化的方式分为两种：泡状汽化和层状汽化。雾化冷却切削区属泡状汽化，当雾滴落于温度较高的表面时，形成汽化中心，气泡的脱离带动雾滴液体剧烈翻动，使雾滴进一步汽化，把热量带走，细小水滴产生相变成为蒸气。浇注式冷却使液体产生层状汽化，汽化时蒸气成层状，汽化层把被加热的表面和冷却介质分离，所以液体浇注冷却仅是对流和热传导起主要作用。

3 B. `5 r8 t9 g3 ]. ^& e图3 蒸气喷射器结构简图

0 f9 ^6 f- D/ q4 D/ x8 z图4 环形气流放大器结构简图
: W& a) I8 N; ?喷雾冷却装置的气流元件主要由引流和被引流两大部分组成，根据引流部分所处位置的不同可分为喷射器和环形气流放大器两种。蒸气喷射器是喷射器中最为典型的一种，其结构如图3所示，主要由喷嘴、吸入室和扩压器三大部分组成。喷嘴的功能是产生高速的扰流，对吸入室的气体产生扰动，带动吸入室的气体一起流入扩压器中，从而产生气流放大作用。环形气流放大器(见图4)的特点是高压的气体从缝隙很小的环形间隙流出，形成高速气流，流入喉部，再从扩张段流出，流动过程中诱发大量周围的自由空气一同运动，从而产生较大的气流输出。环形气流放大器由环形气流室、扩张室和引流室三部分组成，特点是结构比较精巧，通过调节环形气流室内的气流参数就可调节总气流量的大小。
3 w8 C7 T. d% p5 j: f) A在相同切削条件下选用YT15机夹可转位刀具同时做干式切削和喷雾冷却切削对比实验，工件材料为J-55钢料，采用一般乳化切削液作为喷雾剂，用显微镜观察发现，喷雾冷却的刀具前刀面磨损很少，刀尖高度稍有磨损，负后刀面没有明显磨损，后刀面有一定的磨损量。干式切削负后刀面磨损严重，且有深的沟槽，前刀面形成月牙洼，后刀面有一定的磨损量。干式切削时切屑颜色为深兰色，喷雾冷却时切屑颜色为土黄色。实验表明，喷雾冷却对切削热的抑制十分有效，经过一段时间切削后，用手触摸刀具和工件仍有凉感，刀具寿命和生产率大幅度提高。
" D( E7 C& S% S; D% N$ E4 最小量冷却润滑技术
  t1 [# ^9 W, N2 ]+ L切削液的冷却、润滑、排屑等作用在加工过程中得不到充分有效的发挥，而废旧冷却液的处理已成为不可忽视的经济和环境因素。为了降低生产成本，减少对环境的污染，就必须限制或废止切削液的使用。切削液主要有以下负面问题：增加制造成本，在工件总的加工成本中，切削液费用占7%～17%，而刀具的成本大约只占2%～4%；未经处理的切削废液排入江河湖泊，严重破坏了生态环境；水基切削液含有一些对人体有害的化学成分，会引起工人呼吸道和肺部的诸多疾病，与人体直接触会诱发多种皮肤病。在目前还不能很有效地实施干式切削的情况下，采用最小量冷却润滑技术(MQCFA)的准干式切削是比较有效的一种加工方法。
) t4 j% l% `! D+ O2 ~: x3 G) r采用MQCFA要掌握的关键技术是：(1)如何保证润滑液可靠地进入切削区，对加工进行充分有效的润滑；(2)如何确定加工所需的润滑液用量。目前解决第一个问题主要有两种方法：一种方法是“外喷法”，将油气混合物从外部喷向加工区。这种方法简单易行，但润滑液的消耗量大，尤其对某些封闭式加工(如钻、铰等)效果不好。另一种是“内喷法”，在刀具中开出油气通道，油气混合物从这些通道直接喷向加工区，对加工区进行迅速有效的润滑。这种方法润滑比较充分，润滑液的消耗量少，特别适合于封闭式加工，但刀具结构较复杂。而对于第二个问题，目前主要用实验方法来解决。一台典型的加工中心在湿式切削中，每分钟需要20～100L的切削液，而采用MQCFA技术每小时只需要0.03～0.2L的切削液。OSHA制定的切削液标准中规定：空气中雾剂数量的最大允许值为5.0mg/m3，期望能达到0.5mg/m3，而且生产成本不能过高。
+ C: b# o% s- p6 L5 结束语
1 M8 y) N4 u+ t2 D, ?制造业的经济性要兼顾环境保护的重要性，有利于环保的清洁生产加工方式———硬态切削必将得到更深入的研究和推广应用。以低温冷却技术、喷雾冷却技术和最小量冷却润滑技术为代表的切削液使用新概念已引起发达国家企业界和学术界的重视，随着机械工业面临越来越大的环保压力，迫使工厂不得不考虑采用环保型的生产工艺，这对于我国可持续发展战略的实施和经济增长目标的实现将起着积极的作用。
文章关键词： 切削