低温冷风切削技术浅谈
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图1 金属切削加工的成本构成 |
金属切削加工是通过刀具和工件的相对运动来完成材料的移除。切削时会产生大量的切削热，使刀具、工件甚至机床的温度升高。为了减少刀具磨损、降低加工部位的温升，通常使用大量的切削液。但是，使用切削液作为冷却润滑剂会造成很多问题。首先是环境问题：在加工过程中产生的大量油雾、飞溅的油沫以及泄漏的切削液是车间厂房的主要污染源；粘附在切屑上的油污很难清除，往往随废水排人江河，污染环境；在切屑回收过程中，使用燃烧或化学处理方法清除油污，不仅增加了回收成本，而且再次污染环境。其次是成本问题：据日本有关方面统计，在金属切削加工中，刀具使用费约占加工成本的8%，而与切削液有关的费用(包括采购费用、管理费用、废液处理费用、切削液循环设施耗电、油雾处理费等)则高达15～30%。为了改善加工环境，IS0 14000系列标准对环境管理及监测进行了严格的规定。为此，各国政府花费大量资金资助“绿色加工”研究，并取得了明显成效，绿色金属切削加工技术的实施势在必行。干式加工作为一种“绿色加工”技术，将成为未来切削加工的发展趋势。据有关方面估计，随着世界各国对环境保护的日益重视，今后几年，工业发达国家会设置禁止使用油剂切削机床出口的国际贸易壁垒。因此，如果不充分认识绿色加工的重要性井采取积极措施，我国现有机床出口将可能遭受严重损失。同时，随着国内用户需求的改变，传统金属切削加工机床的市场也会受到挑战。因此，应该充分认识“绿色加工”的重要意义，积极推广干式切削技术。
1 干式切削工艺干式切削加工工艺的成败，关键在于选择一种可以不用切削液的切削加工方式。目前，开发比较成功的干式切削工艺有两种，即高速干式切削法和空气流切削法。 1.
高速干式切削工艺 高速干式切削就是在无冷却液、润滑油的条件下，采用很高的切削速度进行切削加工。因此，干式高速切削需要在一定的切削条件下进行。首先是选用很高的切削速度，尽量缩短刀具与工件的接触时间，再用压缩空气或其它方法移去切屑，以控制工作区域因切屑堆积而造成的温升。随着机床制造技术的发展，提高机床的切削速度并非难事；当切削参数设置正确时，80%的切削热量将被切屑带走，使切削点的温升降低。 高速干式切削法对刀具有严格的要求，适合高速干式切削的刀具必须具有以下特点： a. 刀具材料应具有优异的耐高温性能，可在无切削液的条件下工作。通常采用新型硬质合金、聚晶陶瓷和CBN材料。 b. 良好的刀具结构设计，使切屑与刀具之间的摩擦系数尽可能小以减少热堆积。最有效的方法是采用刀具表面涂层工艺。 c. 比湿式切削刀具具有更高的强度和抗冲击韧性。国外高速干式切削的研究工作开展较早，条件也较为成熟，西欧国家已有近1/3的企业开始采用。但是，由于高速干式切削对加工条件要求比较苛刻，给机床在线稳定生产造成一定的难度，使用复杂刀具加工时更为突出，因此，该工艺在我国短时期内难以普及。
2.
空气流切削工艺 空气流切削法包括MQL(微量润滑)切削、低温冷风切削、氮气流切削及蒸气切削法。MQL切削是在切削中用压缩空气加微量润滑剂代替切削油剂；低温冷风切削是在MQL切削法的基础上降低压缩空气的温度进行切削，氮气流切削是在切削中用氮气流代替低温冷风；蒸气切削则是在切削时用蒸气代替切削油剂。 1996年，日本横川技术研究所、工学院大学的横川和彦教授、横川宗彦副教授等人对低温冷风切削加工技术的研究获得成功。低温冷风切削加工是在切削时使用-10℃～-100℃的低温冷风和非常微量的植物油代替冷却润滑剂实施切削的方法。研究表明：在金属切削过程中，如果只给加工点提供非常微量、润滑效果良好且未被氧化的植物油，加工点会因高温而丧失润滑性，使刀具很快磨损。如果加工时提供低温冷风，加工点的高温化就可得到缓解，达到延缓刀具磨损的目的。如果在给加工点提供低温冷风的同时，再加上润滑效果良好且未被氧化的微量植物油，不仅加工点的高温化可得到缓解，而且刀具的润滑性也可得到保证。试验证明，采用低温冷风切削时，车刀的寿命可以延长两倍以上。采用不同切削方法时的切削寿命对比见图2。
图2 干式车削、油剂车削、MQL 车削与低温冷风车削时的刀具切削寿命对比 |
近几年来，国外对低温冷风切削技术的研究已趋成熟，低温冷风切削技术已为机床生产企业所接受并相继推出采用该技术的机床产品。如日本安田工业公司的加工中心采用在电机轴、刀杆轴的中心插入绝热风管的结构，使-30℃的低温冷风直通刀刃，该结构太大改善了切削条件，更有利于低温冷风切削加工工艺的实施。此外，日本三井精机推出的加工中心、冈本工作机械推出的平面磨床、森精机推出的车床等都使用了低温冷风切削技术。为了保证切屑的迅速处理，这些机床的结构都作了较大的调整。同时，与之配套的低温冷风发生系统的生产也实现了商品化，并正在成为日本机床行业新的销售热点。
2 低温冷风切削技术的特点1.
勿需作加工尺寸补偿 在使用油剂切削时．由于油剂温度高，工件受油温的影响会发生膨胀，加工时往往需要进行尺寸补偿。使用低温冷风切削工艺后，由于采用稳定的低温冷风，太大减少了工件的热变形，因此，勿需进行加工尺寸补偿。
2.
有利于提高加工精度 研究表明，冷风可以使加工点的温升低于60℃，工件加工界面残留应力趋于零，对提高加工精度具有重要意义。
3.
提高刀具寿命 试验表明：在同一台机床上使用相同材料的车刀进行切削，分别用+10℃、-5℃、-10℃、-20℃、-30℃的冷风冷却切削点，试验结果太为不同：以横刃面磨损至0.1mm为限，在风温为+10℃时切削长度为140m；风温为-5℃时切削长度为330m；风温为-10℃时切削长度为760m，风温为-20℃时切削长度为1220m，风温为-30℃时切削长度高达1400m。从试验结果可知，采用低温冷风切削可明显提高刀具的使用寿命。
4.
提高加工效率 在使用油剂切削时，为了防止油雾扩散和油沫飞溅，加工时需要使用护罩，高速切削机床还设有全密封护罩。护罩的使用阻碍了装卸工件，增加了频繁开启时间。采用低温冷风切削可解决这个问题，明显提高加工效率。此外，刀具寿命的延长也提高了机床的加工效率。除此之外，由于机床不再使用切削油，因此，可以直接观察加工状态，有利于操作；可以节约机床切削油循环系统、油雾分离装置等的制造费用，降低机床制造成本；可以节约机床切削油循环系统占用的车间面积，降低零件加工成本；同时，更有利于难切削材料的加工。
3 低温冷风发生装置的研究要采用低温冷风切削技术，最重要的是必须配置相应的低温冷风发生装置。目前国外如日本已有多家工厂生产这种装置，已形成商品的低温冷风发生装置的结构形式主要有：氮气流发生装置、使用低沸点工质作冷媒的间接冷却装置以及通过压缩空气冷冻循环的间接冷却方式等，但其价格都比较昂贵。(日本生产的低温冷风发生装置的价格随冷风排放量的大小不同，每台分别在150万日元～340日元之间)。 国内对低温冷风发生装置的研究也在顺利进行。目前，实验室样机已经投入试验使用。相信国产低温冷风发生装置的研制成功必将推动我国干式切削技术得到更广泛的应用和发展。
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