低溫冷風微量潤滑切削技術發展及應用

盧家鋒

匯專綠色工具有限公司（廣東廣州 510530）

1 引言

金屬切削加工過程中，切削液的作用是對刀具進行潤滑及冷卻，提高刀具壽命及工件質量。此外，切削液對機床的排屑、清洗和防銹也具有重要作用。但是切削液中的一些添加劑，比如苯酚類物質及防腐、殺菌添加劑在空氣中的擴散對操作人員的健康構成威脅，并容易發生各種皮膚病、呼吸系統和肺??；切削液的處理和排放又容易造成環境污染。鑒于環境保護和對工人健康的需要，綠色加工技術成為必然選擇。

目前，綠色加工技術主要有：干切削技術、綠色濕式加工技術、少無切屑加工技術、微量潤滑技術（準干式加工）、低溫切削技術等[1]。干切削加工技術指切削過程中不使用切削液，避免切削液帶來環保及健康問題，但是干式切削過程刀具產生熱量及切削力變大，這對刀具、機床、加工材料及參數等多方面有著特殊的要求，限制了其推廣應用。綠色濕式切削是指使用切削液具有高性能、低污染、長壽命、可降解的特點，從而達到綠色環保要求的切削加工方式[2]。少無切屑加工技術是在傳統的毛坯制造工藝（鑄造、鍛壓）的基礎上，通過采用新技術和方法而發展起來的精密成形加工技術[3～4]。微量潤滑（MQL）是將壓縮空氣和微量潤滑介質（一般為2～30mL/h）混合，噴射到加工區域，有效潤滑刀具和工件。微量潤滑技術使用最小量的切削液即可達到延長刀具壽命、提高工件質量目的[5]。但在切削發熱較大的場合，如加工鈦、高溫合金等，由于冷卻性能不足，出現潤滑油膜破裂而導致潤滑性能劇烈下降。低溫切削指在低溫環境下進行切削的過程，低溫切削能夠及時帶走切削熱量，但刀具與工件的潤滑性能不足[6]。

低溫微量潤滑（Cryogenic minimum quantity lubrication，CMQL）技術融合了微量潤滑技術和低溫切削技術的優點，低溫介質的加入降低了切削區域的溫度，而切削區域溫度的降低，使形成的潤滑膜進一步保持潤滑能力，達到降低刀具磨損目的[7～8]。

本文綜述了低溫微量潤滑技術的機理，總結了低溫冷風微量潤滑技術最新研究成果，分析了低溫冷風微量潤滑技術工程應用問題以及發展方向，為低溫冷風微量潤滑技術的進一步研究以及工程應用提供參考。

2 低溫微量潤滑切削技術

低溫微量潤滑是低溫介質與微量潤滑油混合氣化后，噴射至加工區域，對加工區域實施冷卻和潤滑的一種準干式切削技術。低溫介質主要有低溫冷風、低溫CO2、液氮（氮氣）等，通過加入低溫介質，可以顯著降低加工區域溫度，減少刀具磨損[9～10]。

對于微量潤滑的機理，一種研究認為切削過程中的邊界潤滑效應。如圖1所示，當潤滑油量非常小時，工件上形成單分子吸附層，以盡量降低表面的自由能?？梢钥闯?，當潤滑油量介于A和C之間時，能夠迅速補充峰頂，峰值油膜恢復；當油膜處于A以下時，由于油膜非常薄且難以流動，峰值油膜被破壞，油層不補充，造成干摩擦。當油量超過C時，摩擦系數就會不穩定。可見，切割面積的有效潤滑并不是盡可能多，但有一定的數值范圍。數值的范圍與切削流體的性質、摩擦副的材料性質和表面粗糙度有關[11～12]。

在當前我國長江航道局對于“管理與疏浚分離”的改革工作正在不斷的推進，其主要的目的是為了在航道的養護管理工作之中將疏浚分離出去。

圖1 切削過程中的邊界潤滑效應

另一種研究認為是毛細現象，如圖2所示，刀具切削時，由于前刀面和切屑底面的摩擦和耕犁作用，刀具與切屑接觸區出現了許多的毛細管，當其和空氣接通時，通過虹吸作用，潤滑液被擠壓進管道中，滲入加工區域內，對刀刃進行潤滑[13～14]。

圖2 切削過程中的毛細現象

3 低溫冷風微量潤滑切削技術

3.1 低溫冷風微量潤滑裝置

低溫冷風微量潤滑裝置主要由制冷系統、微量潤滑油供給系統、切削加工系統等組成。低溫冷風是微量潤滑裝置的關鍵部分，獲得低溫冷風主要有以下5種形式：①使用低沸點介質的間接冷卻；②以半導體制冷為核心的復合制冷；③空氣絕熱膨脹直接制冷；④循環壓縮式間接制冷（即蒸氣壓縮制冷）；⑤渦流管直接制冷。

（1）使用低沸點介質的間接冷卻。

此種制冷方法利用低沸點介質（如液氮等）通過熱交換器的空氣進行汽化冷卻，使空氣冷卻到-100℃以下。低沸點介質的流量可以控制空氣溫度，過冷時可由加熱器加熱。此種制冷方式制冷效率高，但在連續切削時需要液氮等低沸點介質在外部制備，整個系統運行成本高。

（2）以半導體制冷為核心的復合制冷。

這種制冷方法將半導體冷卻與蒸汽壓縮制冷（循環壓縮制冷）相結合，以半導體冷卻為核心冷源，提高了裝置的冷卻速度和調節冷空氣溫度的能力，并且蒸汽壓縮制冷提高了半導體熱電反應爐的熱端散熱，以使裝置的運行具有更高的效率。

（3）空氣絕熱膨脹直接制冷。

空氣絕熱膨脹式制冷利用高壓氣體絕熱膨脹達到低溫，利用膨脹氣體在低壓下冷卻。膨脹機氣源壓力和出口氣體壓力及其本身性能決定冷風出口溫度。這種制冷方式是一種開放型的直接制冷方式，結構比較簡單，但冷風溫度控制困難，成本較高。

（4）循環壓縮式間接制冷。

循環壓縮式制冷系統由壓縮機，冷凝器，節流閥，蒸發器組成。壓縮機將從蒸發器來的低壓制冷劑壓縮成高溫高壓的蒸汽后進入冷凝器，受到水或空氣的冷卻而成高壓液體。經節流機構節流成低壓液體，蒸發器中吸收熱量以達到冷卻的目的。冷風溫度可由蒸發器的蒸發壓力和冷媒液體供應調節。此種制冷方式冷風溫度在一定范圍內可控，較適合用于低溫冷風裝置。

（5）渦流管直接制冷。

渦流管制冷是使高速氣流產生漩渦，分離出冷、熱兩股氣流，利用冷氣流而獲得制冷方法。冷風出口溫度與入口氣壓和排出氣體流量有關。入口氣壓及排出氣體流量越大，產生的溫差就大。渦流管制冷結構簡單，不需要復雜龐大的制冷設備，但其制冷溫度有限，制冷效率較低，壓縮空氣消耗量大。

3.2 低溫冷風微量潤滑裝置國內外研究現狀

目前，國外多家企業已生產出用于微量潤滑的低溫冷風發生裝置。主要制冷形式為：氮氣氣流產生裝置、使用低沸點的工作材料作為制冷劑的間接冷卻裝置，以及通過壓縮空氣制冷循環的間接冷卻方法，但其價格相對昂貴[15]。

在國內，許多科研院校進行了低溫冷風發生裝置相關研究和開發，并取得了一定的成果。

重慶大學的童明偉等人利用絕熱膨脹制冷方式研制了一種低溫冷風發生裝置。該裝置由防凍噴嘴、制冷風機、吸塵器和保溫管等構成。防凍噴嘴可利用制冷風機排出的低溫空氣（-10℃～-50℃）對加工部位實施低溫冷卻[16]。

華東船舶工業學院的任家隆開發了一套蒸氣壓縮制冷方式低溫冷風發生裝置，其有兩個蒸發腔分別固定在帶有進出口的各自蒸發器腔體中，經試驗，該裝置無污染，提高刀具壽命3倍以上，切削力、切削熱降低6%～25%[17]。

南京航空航天大學的蘇宇將半導體制冷與蒸氣壓縮制冷（循環壓縮制冷）復合，研制了一種新型低溫冷風MQL裝置，以半導體制冷為核心冷源，提高裝置的制冷速度和調節冷風溫度的能力，蒸氣壓縮制冷來強化半導體熱電堆熱端散熱，使裝置運行中具有較高的效率[18]。

重慶大學的徐正德開發了新型CW-MQL切削冷卻系統，并通過理論計算，實現冷風噴嘴在頻繁換刀時與刀具的同步位移，從而保證良好的加工效果，實現加工過程的動態化檢測[19]。

目前國內已有低溫冷風微量潤滑設備形成商品，如重慶成田低溫加工技術有限公司、匯專綠色工具有限公司、東莞安默琳機械制造技術有限公司等。

3.3 低溫冷風微量潤滑切削技術研究

低溫冷風微量潤滑切削是在冷風中加入微量潤滑油霧，以射流方式強烈沖刷切削區域的一種加工方法。單獨使用冷風進行切削加工技術是由日本橫川技術研究所橫川和彥教授最先提出的。低溫冷風切削與氣體射流切削的不同之處在于氣體介質的溫度，氣體射流切削時氣體介質為常溫，而低溫冷風切削時氣體介質的溫度可在-10～-100℃。

橫川和彥教授在中碳鋼銑削試驗中，發現低溫冷風冷卻時銑刀壽命分別是常溫風冷和切削液冷卻的1.5～2.0倍。以186m/min的切削速度車削35CrMo時，低溫冷風切削也均能取得良好的效果[20～21]。

賀愛東研究了CMQL切削的表面殘余應力，如圖3所示，其研究表明低溫介質一方面可以降低工件切削區域的溫度，使工件材料脆性增加，減少切削時的塑性變形；另一方面會在材料表層形成一個以冷縮為主要特征的預應力場，抑制殘余拉應力的產生，或導致殘余壓應力的產生[22]。

圖3 不同潤滑方式的表面殘余應力

Alborz Shokrani提出了一種新的低溫MQL冷卻潤滑系統，并對Ti-6Al-4V鈦合金的加工進行了測試，基于刀具的磨損量提出了低溫MQL的刀具壽命模型。與切削液冷卻相比，低溫MQL冷卻潤滑系統刀具壽命提高30倍，切削效率提升50%，并且在隨著切削速度增加，低溫MQL比MQL、低溫切削及切削液能得到更好的表面質量[23]，如圖4所示。

圖4 不同冷卻和切削條件下的平均表面粗糙度值

4 結論與展望

在環保意識盛行的今天，堅持把綠色發展作為建設制造強國的重要著力點。低溫冷風微量潤滑切削技術為低溫冷風技術和MQL技術的結合體，融合了兩種技術的優勢，近年來發展迅速，在一些重型切削場合已得到應用，但低溫冷風微量潤滑技術在更廣泛的切削加工場合發揮作用，則還有許多實際應用問題需要解決。如冷風傳輸管路需要加保溫措施，使得傳輸管尺寸變大，布置困難；換刀時，噴嘴自適應差，需要手動調整噴嘴，影響加工效率；針對特定的材料及加工方式如何選擇最優冷風參數等。隨著綠色加工理念不斷推廣，低溫冷風微量切削技術將成為未來機械加工制造領域的研究熱點，也將得到更廣泛的應用。

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