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液氮冷却技术在切削加工中的应用


液氮冷卻技術在切削加工中的應用
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研制長壽命切削液,研究延長切削液使用壽命的方法,從而減少 切削液廢液排放量;研究更有效和更經濟的廢液處理方法,減少有害 污染物在環境中的積累,是國內外切削液研究的一個重要內容。 由此可見,在有關環保法規越來越嚴格、切削液使用和處理費用 日益升高的情況下,液氮有可能在一定范圍內成為切削

旱奶娲贰 切削液技術的發展趨勢 眾所周知,切削液具有潤滑、冷卻、清洗及防銹等作用,對提高 切削加工質量和效率、減少刀具磨損等均有顯著效果。近十多年來, 我國的切削液技術發展很快,切削液新品種不斷出現,性能也不斷改 進和完善, 特別是 20 世紀 70 年代末生產的水基合成切削液和近幾年 發展起來的半合成切削液(微乳化切削液)在生產中的推廣和應用, 為 機械加工向節能、減少環境污染、降低工業生產成本方向發展開辟了 新路徑。歸納起來,切削液技術主要有以下特點: 最小潤滑技術 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 傳統濕式加工易污染環境的弊端,是切削技術的一場深刻革命。由于 干式切削符合當今發展綠色制造技術的要求, 因而是一種非常有前途 的切削新技術。但干式切削具有溫度高、切削力大等特點,又出現了 一系列濕式加工中沒有的問題。目前,干式切削技術還很不成熟,其

應用范圍也很有限。而傳統的濕式切削又有諸多不足。因此有人提出 了準干式切削加工技術。 準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,又稱為最小潤滑技術。準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滑作用。 集中冷卻潤滑系統 集中冷卻潤滑系統是把多臺機械加工設備各自獨立的冷卻潤滑 裝置合并為一個冷卻潤滑系統。 這種系統的主要優點是:(1)延長切削 液的使用壽命;(2)易于實現對切削液性能指標的自動控制, 確保切削 液質量;(3)廢液量較少且便于集中處理,有利于保護生態環境,(4) 便于維護、保養和管理;(5)便于切屑運輸和進行集中處理等等。 實現切削液質量管理自動化 保證切削液長期穩定地滿足各種質量要求和充分發揮經濟效益, 關鍵在于嚴格而科學的日常管理。 隨著機械加工自動化程度的不斷提 高和無人化工廠(車間)的出現, 在冷卻潤滑系統中實現對切削液的自 動檢測和自動控制已勢在必行。 這種檢測和控制系統可自動檢測和控 制切削液的工作溫度、使用濃度、PH 值、微生物數量和氣味等,并 可對切削液的失效進行預報。 高性能、長壽命、低污染切削液及其廢液處理技術 隨著機械工業整體技術的發展,機床切削速度更快,切削負荷更 大,切削溫度更高,同時不斷有新工藝出現來適應新材料的加工,這 都需要新型的高性能切削液滿足加工要求;同時根據勞動衛生和環境 保護的要求,切削液中應盡量不含有危害人體健康和生態環境的物

質。近年來我國進口的數控機床、加工中心等先進設備越來越多,其 使用的切削液若從國外進口,運輸不便,成本很高,因此,研制高性 能切削液以替代進口產品已是當務之急。在我國,水基切削液使用范 圍越來越廣,且已開始從乳化液向性能好、壽命長的合成切削液、微 乳化液過渡。在發達國家,微乳化液已普遍使用,正大力研制環保型 切削液。 液氮冷卻技術 利用液氮進行低溫(超低溫)切削加工,就是利用液氮使工件、刀 具或切削區處于低溫冷卻狀態進行切削加工的方法。 氮氣是大氣中含 量最多的成分,液氮作為制氧工業的副產品,來源十分廣闊。使用液 氮作為切削液,應用后直接揮發成氣體返回到大氣中,沒有任何污染 物,從環保方面看,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用方法。 直接應用。 即將液氮作為切削液直接噴射到切削區。一般來說, 由于刀具磨損嚴重,金剛石刀具不能用來加工黑色金屬。而美國一學 者采用液氮冷卻系統對不銹鋼用金剛石刀具進行車削加工, 由于低溫 抑制了碳原子的擴散和石墨化,大大減少了刀具磨損,并取得了極好 的加工質量,其表面粗糙度達到 Ra25? m。磨削加工時會因磨削區高 溫常常對工件表面造成熱損傷,如燒傷、微裂紋等,為有效解決這些 問題,印度工學院 S.Paul 用液氮超低溫冷卻磨削五種常用鋼材,結 果表明:正確合理地使用液氮冷卻,可有效控制磨削區溫度,使磨削 溫度保持在材料發生相變溫度之下而不發生磨削燒傷;并且在材料塑

性增大和較大進給量情況下,這種效果更加顯著。對于非金屬材料和 復合材料的液氮冷卻切削加工,國外也開展了廣泛研究。如 FRP(Fiberglass Reinforced Plastics)是一種高強度/重量比、耐疲 勞的復合材料,用傳統切削方法加工非常困難,因而限制了這種材料 的使用。新西蘭學者對其進行超低溫冷卻加工,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 了滿意的加工表面質量,還在很大程度上延長了刀具壽命。采用低溫 切削熱固性塑料、合成樹脂、石墨、橡膠和玻璃纖維等材料時也均顯 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, 使切削熱快速從刀具上、特別是刀尖處被帶走,刀尖始終保持在低溫 狀態下工作。 美國林肯大學的學者利用一種配備新型冷卻系統的 PCBN 刀具進行了試驗研究。這種刀具是在車刀上部的方盒內儲存液氮,由 進口輸人,從出口流出。試驗表明,使用液氮冷卻時,車刀壽命延長 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。 日本一些學者研制出 噴氣冷卻系統。 該系統使用的冷卻氣體是由液氮在熱交換器中冷卻過 的,其溫度低于—50℃冷卻氣體直接噴射于磨削點。實驗發現,磨削 后工件材料的殘余壓應力比使用磨削液磨削時要大, 殘余壓應力的分 布區域也變寬了。 而殘余壓應力可提高零件的抗疲勞壽命,這對一些零件,如飛機 零件等十分重要。采用固體潤滑劑處理過的 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滑作用。


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