液氮冷却技术在切削加工中的应用

液氮冷却技术在切削加工中的应用

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研制长寿命切削液，研究延长切削液使用寿命的方法，从而减少切削液废液排放量;研究更有效和更经济的废液处理方法，减少有害污染物在环境中的积累，是国内外切削液研究的一个重要内容。

由此可见，在有关环保法规越来越严格、切削液使用和处理费用日益升高的情况下，液氮有可能在一定范围内成为切削液的替代品。

切削液技术的发展趋势

众所周知，切削液具有润滑、冷却、清洗及防锈等作用，对提高切削加工质量和效率、减少刀具磨损等均有显著效果。近十多年来，我国的切削液技术发展很快，切削液新品种不断出现，性能也不断改进和完善，特别是20世纪70年代末生产的水基合成切削液和近几年发展起来的半合成切削液(微乳化切削液)在生产中的推广和应用，为机械加工向节能、减少环境污染、降低工业生产成本方向发展开辟了新路径。归纳起来，切削液技术主要有以下特点:

最小润滑技术

干式切削加工是不采用任何切削液的加工，它可以从根本上消除传统湿式加工易污染环境的弊端，是切削技术的一场深刻革命。由于干式切削符合当今发展绿色制造技术的要求，因而是一种非常有前途的切削新技术。但干式切削具有温度高、切削力大等特点，又出现了一系列湿式加工中没有的问题。目前，干式切削技术还很不成熟，其应用范围也很有限。而传统的湿式切削又有诸多不足。因此有人提出

了准干式切削加工技术。准干式切削是一种介于湿式切削和纯粹干式切削之间的切削方式，又称为最小润滑技术。准干式切削采用喷雾冷却方式，它用极少的切削液而起到较好的冷却和润滑作用。

集中冷却润滑系统

集中冷却润滑系统是把多台机械加工设备各自独立的冷却润滑装置合并为一个冷却润滑系统。这种系统的主要优点是:(1)延长切削液的使用寿命;(2)易于实现对切削液性能指标的自动控制，确保切削液质量;(3)废液量较少且便于集中处理，有利于保护生态环境，(4)便于维护、保养和管理;(5)便于切屑运输和进行集中处理等等。

实现切削液质量管理自动化

保证切削液长期稳定地满足各种质量要求和充分发挥经济效益，关键在于严格而科学的日常管理。随着机械加工自动化程度的不断提高和无人化工厂(车间)的出现，在冷却润滑系统中实现对切削液的自动检测和自动控制已势在必行。这种检测和控制系统可自动检测和控制切削液的工作温度、使用浓度、PH值、微生物数量和气味等，并可对切削液的失效进行预报。

高性能、长寿命、低污染切削液及其废液处理技术

随着机械工业整体技术的发展，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;同时根据劳动卫生和环境保护的要求，切削液中应尽量不含有危害人体健康和生态环境的物质。近年来我国进口的数控机床、加工中心等先进设备越来越多，其

使用的切削液若从国外进口，运输不便，成本很高，因此，研制高性能切削液以替代进口产品已是当务之急。在我国，水基切削液使用范围越来越广，且已开始从乳化液向性能好、寿命长的合成切削液、微乳化液过渡。在发达国家，微乳化液已普遍使用，正大力研制环保型切削液。

液氮冷却技术

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。氮气是大气中含量最多的成分，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到大气中，没有任何污染物，从环保方面看，是一种有前途的切削掖替代品。

液氮冷却有直接和间接两种应用方法。

直接应用。即将液氮作为切削液直接喷射到切削区。一般来说，由于刀具磨损严重，金刚石刀具不能用来加工黑色金属。而美国一学者采用液氮冷却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Ra25µm。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用液氮超低温冷却磨削五种常用钢材，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FRP(Fiberglass Reinforced Plastics)是一种高强度/重量比、耐疲劳的复合材料，用传统切削方法加工非常困难，因而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(0.4-0.5 L/min)，极大地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。

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一种配备新型冷却系统的PCBN 刀具进行了试验研究。这种刀具是在车刀上部的方盒内储存液氮，由进口输人，从出口流出。试验表明，使用液氮冷却时，车刀寿命延长to倍，磨损降低1/4，并可获得较低的表面粗糙度。

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。该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时要大，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，这对一些零件，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(101向的超精植物油，可在加工中起到较好的润滑作用。