低溫冷卻切削加工研究與應(yīng)用

喬培平

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，陜西 咸陽 712000)

低溫冷卻切削加工研究與應(yīng)用

喬培平

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，陜西 咸陽 712000)

研究了低溫冷卻切削加工的工作原理，介紹了低溫切削裝置的組成及特點(diǎn)，并對其類型及應(yīng)用過程做了較詳細(xì)的分析說明。最后，通過2個實(shí)例介紹了其應(yīng)用情況，結(jié)果表明，低溫冷卻切削難加工材料均取得了良好效果，有一定參考價值，是一種值得推廣的切削方式。

低溫冷卻切削；難加工材料；刀具使用壽命；切削溫度

隨著制造業(yè)的發(fā)展，新材料不斷涌現(xiàn)，有些材料具有高強(qiáng)度、高硬度、良好的化學(xué)惰性和很低的熱導(dǎo)率，采用常規(guī)加工方法和常用刀具材料對其進(jìn)行加工很難取得滿意的結(jié)果。而采用低溫加工系統(tǒng)對這些極難加工的材料進(jìn)行干切削卻表現(xiàn)出了優(yōu)異的效果。

低溫冷卻切削是利用液態(tài)氮(-186 ℃)、液體CO2(-76 ℃)及其他低溫液體或氣體的冷卻特性，通過特定裝置將冷卻氣體或液體送入切削區(qū)，來降低切削區(qū)溫度的切削加工方法。采用該方法，可極大地提高刀具使用壽命和生產(chǎn)效率，顯著改善加工精度和表面質(zhì)量，還可以使切削點(diǎn)低溫化，不僅使工件材料局部變脆，有利于切屑的撕裂，降低切削負(fù)荷，同時也防止了刀具自身的軟化，減少了與工件之間的摩擦、粘接、擴(kuò)散和相變磨損，使刀具使用壽命得到提高，尤其適合鈦、鎂、鋁、鉬和不銹鋼等難加工材料和薄壁材料的加工。

低溫切削裝置的原理如下：1)利用瓶裝液體CO2的自噴對切削區(qū)直接冷卻；2)用經(jīng)干燥的空氣維持杜瓦瓶的恒壓，利用虹吸原理讓壓縮空氣從瓶中抽出液態(tài)氮，經(jīng)特制的噴嘴噴向切削區(qū)；3)采用液態(tài)氮或CO2從外部冷卻工件，從降低切削區(qū)的目溫度。有的采用刀具內(nèi)部制冷方法，甚至把刀具與冷凍機(jī)直接相連對刀具進(jìn)行循環(huán)冷卻，效果也很明顯。試驗(yàn)證明[1]，低溫切削鈦合金、不銹鋼、高強(qiáng)度及耐磨鑄鐵等均能取得良好效果。低溫切削鈦合金時，切削溫度可降低300～400 ℃，磨削力可減小60%。低溫切削不銹鋼時，刀具使用壽命可提高3～5倍。據(jù)有關(guān)資料介紹[2]，工件溫度在-20 ℃時，積屑瘤基本被抑制，<-20 ℃時，不僅積屑瘤消失，而且在加工表面上可清晰地觀察到切削刃原形的刻印痕跡，大幅度減小了其表面粗糙度值；同時，低溫冷卻技術(shù)有利于切屑的折斷。

1 低溫冷卻切削的分類

低溫冷卻切削加工通常按以下方法進(jìn)行分類。

1)根據(jù)冷卻對象不同，將低溫冷卻切削分為冷卻刀具的低溫冷卻切削(見圖1)和冷卻工件的低溫冷卻切削(見圖2)。

圖1 冷卻刀具的低溫 圖2 冷卻工件的低溫冷卻切削原理 冷卻切削原理

2)根據(jù)冷卻形式不同，將低溫冷卻切削分為內(nèi)冷式切削(見圖3)和外冷式切削(見圖4)。外冷式只使工件或刀具表面溫度降低，內(nèi)部溫度仍然較高；內(nèi)冷式可使整個工件或刀具溫度一致，切削效果比外冷式好。

圖3 內(nèi)冷式低溫冷卻 圖4 外冷式低溫冷卻切削原理 切削原理

3)根據(jù)制冷方式的不同，將低溫冷卻切削分為機(jī)械式制冷切削、化學(xué)式制冷切削和電子式制冷切削。

4)根據(jù)低溫介質(zhì)及使用方法的不同，可將低溫冷卻切削的溫度分為3個區(qū)，即亞常區(qū)(2～6 ℃)、低溫區(qū)(0～-30 ℃)和超低溫區(qū)(<-50 ℃)。

2 低溫冷卻切削的步驟

低溫冷卻切削的步驟如下。

1)根據(jù)加工對象和加工刀具的特性，設(shè)定最佳低溫加工溫度Topt。

2)利用冷卻劑或其他方法，使特定封閉加工區(qū)的溫度達(dá)到Topt。

3)自動控制低溫流體的噴射量，以維持加工區(qū)溫度在Topt。一方面，當(dāng)檢測的加工區(qū)溫度偏離Topt時，通過反饋控制器調(diào)節(jié)噴射流量；另一方面，當(dāng)加工系統(tǒng)輸入功率發(fā)生變化時，通過反饋控制器調(diào)節(jié)流量，以維持最佳低溫狀態(tài)。低溫冷卻切削示意圖如圖5所示。

圖5 低溫冷卻切削示意圖

3 低溫冷卻切削加工應(yīng)用舉例

3.1 對Ti合金進(jìn)行低溫冷卻切削試驗(yàn)

鈦合金Ti-6Al-4V具有良好的力學(xué)性能，被廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)，經(jīng)熱處理后，其強(qiáng)度可>1.17×103MPa，而熱導(dǎo)率很低，約為15 W/(m·k)。切削過程中，切屑與刀具接觸區(qū)有很高的溫度，Ti也產(chǎn)生了化學(xué)反應(yīng)，使刀具產(chǎn)生熔接而加劇了刀具磨損。

試驗(yàn)采用H13A硬質(zhì)合金刀具材料切削鈦合金Ti-6Al-4V，分別用油冷卻切削和液態(tài)氮冷卻干切削[3]，切削速度為132 m/min，進(jìn)給量為0.2 mm/r，背吃刀量為1 mm。刀具的幾何參數(shù)為：前角γo=0°、后角αo=7°、刃傾角λs=0°、刀尖圓弧半徑rε=0.88 mm。其磨損曲線如圖6所示，測得的切削溫度如圖7所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用液氮循環(huán)冷卻刀具的方法低溫加工鈦合金時，刀具的磨損明顯減小，切削溫度降低約40%，工件表面粗糙度大幅度減小。由此可見，低溫冷卻的效果非常明顯，而且液氮是一種很容易獲得的原料，價格便宜，還可以反復(fù)使用。

圖6 切削Ti-6Al-4V磨損曲線

圖7 切削Ti-6Al-4V測得的切削溫度

3.2 采用氣體冷卻進(jìn)行低溫冷卻切削加工

用低溫強(qiáng)風(fēng)對切削區(qū)域進(jìn)行冷卻和排屑也是對難加工材料進(jìn)行干切削的一種有效方法，用氣體冷卻的效果和經(jīng)濟(jì)性相比其他方法均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。氣體介質(zhì)的溫度可控制在<-20 ℃，低溫氣體比液體更易進(jìn)入切削區(qū)以及刀具、切屑和工件的接觸面，增加了冷卻效果。低溫氣體對刀具的冷卻均勻充分，避免了液體冷卻不充分時刀具表面產(chǎn)生的微裂紋。氣體介質(zhì)可以為空氣、氮?dú)獾龋舨捎每諝饨橘|(zhì)，其成本幾乎沒有，也沒有排放和處理的投資費(fèi)用；因此，該冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行成本較低。

氣體低溫冷卻系統(tǒng)如圖8所示[4]，其包括氣泵、壓縮機(jī)、干燥裝置、冷凍裝置、調(diào)溫增壓裝置和送風(fēng)裝置等。目前，國內(nèi)外用于切削試驗(yàn)的風(fēng)冷系統(tǒng)的溫度為-50～10 ℃，壓力為0.3～0.8 MPa，流量為1～3 m3/min。

圖8 氣體低溫冷卻系統(tǒng)

切削35CrMo鋼時的刀具磨損曲線如圖9所示。切削速度為200 m/min，進(jìn)行常溫(20 ℃)和低溫(-20 ℃)風(fēng)冷卻、斷續(xù)和連續(xù)切削。低溫風(fēng)冷卻時，刀具磨損率顯著下降。試驗(yàn)表明，利用氣體的低溫冷卻系統(tǒng)進(jìn)行斷續(xù)或連續(xù)干切削均能取得良好的效果。

圖9 切削35CrMo鋼時的刀具磨損曲線

4 結(jié)語

采用低溫加工系統(tǒng)對極難加工的材料，如鈦合金、高錳鋼、工程陶瓷和高強(qiáng)度鋼等進(jìn)行低溫冷卻切削均取得了良好的效果。低溫冷卻切削時，在降低切削力、切削溫度、減少刀具磨損、易于斷屑、提高刀具使用壽命和加工表面質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)性等方面均表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。

[1] 劉志峰,張崇高,任家隆.干切削加工技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.

[2] 劉光復(fù).綠色設(shè)計(jì)與綠色制造[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

[3] 孫公新.超冷卻車削加工[J].國外金屬加工,2002(4):19-26.

[4] 張震,何曙華.低溫冷風(fēng)切削技術(shù)淺談[J].工具技術(shù),2002(6):32-33.

責(zé)任編輯李思文

ResearchandApplicationofLowTemperatureCoolingMachining

QIAO Peiping

(College of Mechanical Engineering, Shaanxi Industrial Vocational and Technical, Xianyang 712000, China)

The paper studied the working principle of low temperature cooling lathe machining, introduced the composition and characteristics of low temperature cutting device, and made detailed analysis for the type and application of process. Finally, two examples introduced its application situation. The results showed that the low temperature cooling cutting of difficult to machine materials had achieved good effects, and had a certain reference value, it was worthy popularizing.

low temperature cooling turning, hard processing material, service life of the cutter, cutting temperature

TG 5

：A

喬培平(1975-)，男，講師，主要從事設(shè)備控制技術(shù)、金屬切削等方面的教學(xué)和研究。

2014-10-31