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液氮冷却在切磨削加工中的应用

发布时间：2013-01-16 浏览次数：770

作者：孙建国　刘镇昌　李久立
（山东工业大学机械工程学院）

　　摘　要：随着切磨削技术的发展和环境意识的加强，人们开始重视切削液带来的安全和环境问题，为适应清洁生产和绿色制造对切削液提出的要求，本文对液氮冷却作为传统切削液替代品的应用研究取得的一些进展进行了论述。
　　关键词：切削液；切磨削加工；清洁生产；液氮冷却
　　在机械加工中普遍使用的切削液具有润滑、冷却、清洗及防锈等作用，对提高切磨削加工质量和效率、减少刀具磨损等有着显著效果，取得了巨大的经济效益。
　　随着机械加工业的发展，人们开始大力发展先进制造技术，使机床切削速度更快，切削负荷更大、切削温度更高，同时不断有新工艺出现来适应新材料的加工，这都需要新型的高性能切削液满足加工要求；但更重要的是，环境保护和人类自身健康越来越为人们注意的焦点，清洁生产、绿色制造已成为发展先进制造技术的主题之一。实践表明，普通的切削液对生态环境和人类自身会造成诸多不良影响，已难以适应清洁生产和绿色制造的要求。
　　因此，现代切削液技术出现了一些新的发展特点，首先是在研究开发新的切削液时，强调了长寿命、低毒和低污染，并朝着环保型切削液发展，其废液经处理后可完全降解，不会对自然界产生危害；其次是大力干切削(切削时不用切削液)的研究，扩大其使用范围；还有就是努力寻找传统切削液的替代品。用液氮作为冷却液进行低温加工，就是一项引起广泛重视的研究成果。
　　一、液氮冷却低温切磨削加工的特点
　　利用液氮进行低温(超低温)切削加工，就是利用液氮使工件、刀具或切削区处于低温冷却状态进行切削加工的方法。它可分为两种形式应用：一是直接应用，即把液氮象切削液一样直接喷射到切削区；二是间接应用，在切削加工中用液氮冷却刀具或工件。
　　机械材料的切削加工与其机械性能密切相关，而后者往往随温度的变化而不同。例如温度升高时，材料的硬度下降，强度降低；温度降低时，材料则变脆，塑性减小，有些金属材料存在明显的冷脆现象，即当温度降低到某一临界值时，材料无明显的塑性变形而产生脆性断裂的特性。材料发生冷脆现象时，其韧性大大降低，致使塑性急剧减小，当然变形所需之功也会减少。正是利用材料的低温脆性和低温介质，低温切削技术主要有三大特点，一是可改善难加工材料的切削加工性；二是能提高工件的加工精度和表面质量；三是能延长刀具寿命。这主要因为工作温度低，改善了材料的切削加工性，切削力降低，切削热又被迅速带走，刀具则始终在较低温度下工作。
　　二、液氮冷却的应用
　　近年来，国外在这方面的研究已取得迅速的发展，并开始用于生产。国内在开发这方面的试验研究，并取得了一些进展。主要应用在以下几方面：一是具有低温脆性的钢铁等材料的切削加工；二是对一些难加工及很难加工的不锈钢、钛合金、高强度钢、高强度耐热合金等材料低温切削，可显示其独特的优越性；三是解决了一些非金属材料及复合材料难加工问题。
　　液氮冷却的直接应用
　　即将液氮作为切削液直接喷射到切削区。氮气是大气中含量Z多的成分，液氮作为制氧工业的副产品来源十分广阔。使用液氮作为切削液，应用后直接挥发成气体返回大气中，没有任何污染物，从环保方面看，是一种很好的切削液替代品。
　　美国怀特州立大学S.Y.Hong博士为首的课题组，在解决了液氮从贮存罐到切削区流动过程中的液氮挥发问题后，在液氮冷却超低温状态下，对车削加工方法进行了广泛的研究。他对某些刀具材料的超低温下切削性能实验研究结果表明，在液氮冷却加工状态下，硬质合金材料能保持其抗弯强度、断裂韧性和耐冲击强度，其硬度随温度的降低而增大，因此硬质合金刀具材料在液氮冷却中能够保持其优良的切削性能，并且和在常温下一样，其性能决定于粘结相的数量。对于高速钢，随温度的降低，其硬度增大而抗冲击强度降低，但总体上能保持较好的切削性能。他对一些材料在低温下提高其切削加工性进行了研究，选用了低碳钢AISI 1010、高碳钢AISI 070、轴承钢AISI E52100、钛合金Ti-6Al-4V、铸造铝合金A390五种材料，实验研究表明：由于低碳钢表现出良好的低温脆性，低温切削可获得理想的加工效果；对于高碳钢和轴承钢，应用液氮冷却可抑制切削区温升和刀具磨损速度；在切削铸造铝合金时，应用低温冷却可提高刀具硬度和刀具抗硅相磨粒磨损能力，在加工钛合金时，同时低温冷却刀具和工件，可有效地降低切削温度和减少钛和刀具材料之间的化学亲和力。总之，都获得较好的加工效果。
　　一般来说，由于刀具磨损极其严重，金刚石刀具不能用来加工黑色金属。美国一学者采用液氮冷却加工系统对不锈钢用金刚石刀具进行车削加工，由于低温抑制了碳原子的扩散和石墨化，大大减少了刀具磨损，并取得了极好的加工质量，其表面粗糙度达到Ra25nm。
　　磨削加工时会因磨削区高温常常对工件表面造成热损伤，如烧伤、微裂纹等。为有效解决这些问题，印度工学院S.Paul对液氮超低温磨削五种常用钢材进行了研究，结果表明：正确合理地使用液氮冷却，可有效控制磨削区温度，使磨削温度保持在材料发生相变温度之下而不发生磨削烧伤；并且在材料塑性增大和就较大进给量情况下，这种效果更加显著。
　　对于非金属材料和复合材料的液氮冷却切削加工，国外也开展了广泛研究。如KFRP(Kevlararamind fiber reinforced plastics)一种高强度/重量比、耐疲劳的复合材料，用传统切削方法加工非常困难，限制了这种材料的使用。新西兰学者对其进行超低温冷却加工，使用液氮不间断冷却(0.4～0.5l/min)，极大的改善了这种材料的切削加工性，不但获得了满意的加工表面质量，还在很大程度上延长了刀具寿命。采用低温切削热固性塑料、合成树脂、石墨、橡胶和玻璃纤维等材料时也均显示出良好的切削性能。
　　由此可见，在有关法规越来越严格，切削液使用和处理费用日益升高的情况下，液氮确实是一种未来切削加工中比较有效和经济的切削液替代品。
　　液氮冷却的间接利用
　　主要是刀具冷却法，即在加工中不断地冷却刀具，使切削热快速从刀具上、特别是刀尖处被带走，刀尖始终保持在低温状态下工作。美国林肯大学的学者，利用山特维克公司生产的一种配备新型冷却系统的CBN(PCBN)刀具进行试验研究，这种刀具是在车刀上部的方盒内储存液氮，由进口输入，从出口流出。试验表明，液氮冷却时，车刀切削寿命延长10倍，磨损降低1/4，并可获得较小的表面粗糙度。
　　还有一种特殊的间接利用方法为喷气冷却。日本一些学者研制出喷气冷却系统，系统使用的冷却气体是由液氮在热交换器中冷却过的，其温度低于-50℃。冷却气体直接喷射于磨削点。实验发现磨削后工件材料的残余压应力比使用磨削液磨削要大，而且残余压应力的分布区域也变宽了。而残余压应力可提高零件的抗疲劳寿命，对一些零件，如飞机零件等十分重要。采用固体润滑剂处理过的CBN砂轮，或加工中添加极少量(10l/h)的超精植物油，可在加工中起到较好的润滑作用。
　　三、结论
　　利用一些钢铁材料的低温脆性，进行液氮低温切磨削加工，可提高其切削加工性，提高加工质量。
　　把液氮作为切削液直接应用，可显著降低切削温度，提高加工精度和表面质量，延长刀具(砂轮)使用寿命，液氮是一种未来切磨削加工中比较有效和经济的切削液替代品。
　　使用液氮冷却低温(超低温)加工，解决了一些难加工金属材料、非金属材料和复合材料的难加工问题。
　　利用液氮冷却切磨削加工时，需使用一些润滑剂解决切屑形成过程中润滑性差的问题；同时工件上新生的金属表面具有极强的化学活性，暴露在空气中均会很快生锈，因此，还需使用一些防锈剂来防止工件、机床生锈。

来源：《机械工艺师》2001年02期