液氮冷卻技術(shù)在切削加工中的應(yīng)用

切削液技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

　　眾所周知，切削液具有潤(rùn)滑、冷卻、清洗及防銹等作用，對(duì)提高切削加工質(zhì)量和效率、減少刀具磨損等均有顯著效果。近十多年來(lái)，我國(guó)的切削液技術(shù)發(fā)展很快，切削液新品種不斷出現(xiàn)，性能也不斷改進(jìn)和完善，特別是20世紀(jì)70年代末生產(chǎn)的水基合成切削液和近幾年發(fā)展起來(lái)的半合成切削液(微乳化切削液)在生產(chǎn)中的推廣和應(yīng)用，為機(jī)械加工向節(jié)能、減少環(huán)境污染、降低工業(yè)生產(chǎn)成本方向發(fā)展開(kāi)辟了新路徑。歸納起來(lái)，切削液技術(shù)主要有以下特點(diǎn):
最小潤(rùn)滑技術(shù)

　　干式切削加工是不采用任何切削液的加工，它可以從根本上消除傳統(tǒng)濕式加工易污染環(huán)境的弊端，是切削技術(shù)的一場(chǎng)深刻革命。由于干式切削符合當(dāng)今發(fā)展綠色制造技術(shù)的要求，因而是一種非常有前途的切削新技術(shù)。但干式切削具有溫度高、切削力大等特點(diǎn)，又出現(xiàn)了一系列濕式加工中沒(méi)有的問(wèn)題。目前，干式切削技術(shù)還很不成熟，其應(yīng)用范圍也很有限。而傳統(tǒng)的濕式切削又有諸多不足。因此有人提出了準(zhǔn)干式切削加工技術(shù)。準(zhǔn)干式切削是一種介于濕式切削和純粹干式切削之間的切削方式，又稱(chēng)為最小潤(rùn)滑技術(shù)。準(zhǔn)干式切削采用噴霧冷卻方式，它用極少的切削液而起到較好的冷卻和潤(rùn)滑作用。

　　液氮冷卻技術(shù)

　　利用液氮進(jìn)行低溫(超低溫)切削加工，就是利用液氮使工件、刀具或切削區(qū)處于低溫冷卻狀態(tài)進(jìn)行切削加工的方法。氮?dú)馐谴髿庵泻孔疃嗟某煞?，液氮作為制氧工業(yè)的副產(chǎn)品，來(lái)源十分廣闊。使用液氮作為切削液，應(yīng)用后直接揮發(fā)成氣體返回到大氣中，沒(méi)有任何污染物，從環(huán)保方面看，是一種有前途的切削掖替代品。
液氮冷卻有直接和間接兩種應(yīng)用方法。

　　直接應(yīng)用。 即將液氮作為切削液直接噴射到切削區(qū)。一般來(lái)說(shuō)，由于刀具磨損嚴(yán)重，金剛石刀具不能用來(lái)加工黑色金屬。而美國(guó)一學(xué)者采用液氮冷卻系統(tǒng)對(duì)不銹鋼用金剛石刀具進(jìn)行車(chē)削加工，由于低溫抑制了碳原子的擴(kuò)散和石墨化，大大減少了刀具磨損，并取得了極好的加工質(zhì)量，其表面粗糙度達(dá)到Ra25µm。磨削加工時(shí)會(huì)因磨削區(qū)高溫常常對(duì)工件表面造成熱損傷，如燒傷、微裂紋等，為有效解決這些問(wèn)題，印度工學(xué)院S.Paul用液氮超低溫冷卻磨削五種常用鋼材，結(jié)果表明：正確合理地使用液氮冷卻，可有效控制磨削區(qū)溫度，使磨削溫度保持在材料發(fā)生相變溫度之下而不發(fā)生磨削燒傷;并且在材料塑性增大和較大進(jìn)給量情況下，這種效果更加顯著。對(duì)于非金屬材料和復(fù)合材料的液氮冷卻切削加工,國(guó)外也開(kāi)展了廣泛研究。如FRP(Fiberglass Reinforced Plastics)是一種高強(qiáng)度/重量比、耐疲勞的復(fù)合材料，用傳統(tǒng)切削方法加工非常困難，因而限制了這種材料的使用。新西蘭學(xué)者對(duì)其進(jìn)行超低溫冷卻加工，使用液氮不間斷冷卻(0.4-0.5 L/min)，極大地改善了這種材料的切削加工性，不但獲得了滿(mǎn)意的加工表面質(zhì)量，還在很大程度上延長(zhǎng)了刀具壽命。采用低溫切削熱固性塑料、合成樹(shù)脂、石墨、橡膠和玻璃纖維等材料時(shí)也均顯示出良好的切削性能。
間接利用。 主要是刀具冷卻法，即在加工中不斷地冷卻刀具，使切削熱快速?gòu)牡毒呱?、特別是刀尖處被帶走，刀尖始終保持在低溫狀態(tài)下工作。美國(guó)林肯大學(xué)的學(xué)者利用一種配備新型冷卻系統(tǒng)的PCBN刀具進(jìn)行了試驗(yàn)研究。這種刀具是在車(chē)刀上部的方盒內(nèi)儲(chǔ)存液氮，由進(jìn)口輸人，從出口流出。試驗(yàn)表明，使用液氮冷卻時(shí)，車(chē)刀壽命延長(zhǎng)to倍，磨損降低1/4，并可獲得較低的表面粗糙度。

還有一種特殊的間接利用方法為噴氣冷卻。日本一些學(xué)者研制出噴氣冷卻系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用的冷卻氣體是由液氮在熱交換器中冷卻過(guò)的，其溫度低于—50℃冷卻氣體直接噴射于磨削點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，磨削后工件材料的殘余壓應(yīng)力比使用磨削液磨削時(shí)要大，殘余壓應(yīng)力的分布區(qū)域也變寬了。
而殘余壓應(yīng)力可提高零件的抗疲勞壽命，這對(duì)一些零件，如飛機(jī)零件等十分重要。采用固體潤(rùn)滑劑處理過(guò)的CBN砂輪，或加工中添加極少量(101向的超精植物油，可在加工中起到較好的潤(rùn)滑作用。
由此可見(jiàn)，在有關(guān)環(huán)保法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格、切削液使用和處理費(fèi)用日益升高的情況下，液氮有可能在一定范圍內(nèi)成為切削液的替代品。

　　集中冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)

　　集中冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)是把多臺(tái)機(jī)械加工設(shè)備各自獨(dú)立的冷卻潤(rùn)滑裝置合并為一個(gè)冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是:(1)延長(zhǎng)切削液的使用壽命;(2)易于實(shí)現(xiàn)對(duì)切削液性能指標(biāo)的自動(dòng)控制，確保切削液質(zhì)量;(3)廢液量較少且便于集中處理，有利于保護(hù)生態(tài)環(huán)境，(4)便于維護(hù)、保養(yǎng)和管理;(5)便于切屑運(yùn)輸和進(jìn)行集中處理等等。
實(shí)現(xiàn)切削液質(zhì)量管理自動(dòng)化

　　保證切削液長(zhǎng)期穩(wěn)定地滿(mǎn)足各種質(zhì)量要求和充分發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益，關(guān)鍵在于嚴(yán)格而科學(xué)的日常管理。隨著機(jī)械加工自動(dòng)化程度的不斷提高和無(wú)人化工廠(車(chē)間)的出現(xiàn)，在冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)切削液的自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制已勢(shì)在必行。這種檢測(cè)和控制系統(tǒng)可自動(dòng)檢測(cè)和控制切削液的工作溫度、使用濃度、PH值、微生物數(shù)量和氣味等，并可對(duì)切削液的失效進(jìn)行預(yù)報(bào)。

　　高性能、長(zhǎng)壽命、低污染切削液及其廢液處理技術(shù)

　　隨著機(jī)械工業(yè)整體技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床切削速度更快，切削負(fù)荷更大，切削溫度更高，同時(shí)不斷有新工藝出現(xiàn)來(lái)適應(yīng)新材料的加工，這都需要新型的高性能切削液滿(mǎn)足加工要求;同時(shí)根據(jù)勞動(dòng)衛(wèi)生和環(huán)境保護(hù)的要求，切削液中應(yīng)盡量不含有危害人體健康和生態(tài)環(huán)境的物質(zhì)。近年來(lái)我國(guó)進(jìn)口的數(shù)控機(jī)床、加工中心等先進(jìn)設(shè)備越來(lái)越多，其使用的切削液若從國(guó)外進(jìn)口，運(yùn)輸不便，成本很高，因此，研制高性能切削液以替代進(jìn)口產(chǎn)品已是當(dāng)務(wù)之急。在我國(guó)，水基切削液使用范圍越來(lái)越廣，且已開(kāi)始從乳化液向性能好、壽命長(zhǎng)的合成切削液、微乳化液過(guò)渡。在發(fā)達(dá)國(guó)家，微乳化液已普遍使用，正大力研制環(huán)保型切削液。

　　研制長(zhǎng)壽命切削液，研究延長(zhǎng)切削液使用壽命的方法，從而減少切削液廢液排放量;研究更有效和更經(jīng)濟(jì)的廢液處理方法，減少有害污染物在環(huán)境中的積累，是國(guó)內(nèi)外切削液研究的一個(gè)重要內(nèi)容。