1 前言
硬態(tài)切削中的金屬軟化效應(yīng)是影響刀具壽命、工件表面的完整性、切削效率和加工精度的重要因素。由于硬態(tài)切削是通過使剪切部分的材料退火變軟而形成切屑的，冷卻效率過高，從而減小了由切削力而產(chǎn)生的切削效果，加大了機(jī)械磨損，縮短了刀具壽命。而在斷續(xù)切削時(shí)，由于施加冷卻，刀具承受的熱循環(huán)加劇，會(huì)引起刀片材料發(fā)生熱疲勞和過早破損。干式切削則提供了一種健康的制造環(huán)境，使工作更安全，避免化學(xué)物質(zhì)的有害影響，全面保護(hù)生態(tài)環(huán)境，它已成為目前清潔制造研究的熱點(diǎn)。但是在某些加工中完全實(shí)施不使用切削液的干式切削技術(shù)是比較困難的，因此美國職業(yè)安全和健康委員會(huì)(OSHA)根據(jù)調(diào)查提出了切削液使用的新概念，其中包括低溫冷卻、噴霧冷卻(復(fù)合噴霧冷卻)和將切削油劑用量控制在最小限度之內(nèi)的微量冷卻潤滑技術(shù)(Minimum Quantit-Cutting Fluid Appli-cation，簡稱MQCFA)。
2 低溫冷卻技術(shù)
為有效地降低在切削區(qū)產(chǎn)生的過高的溫度，往往采用將液態(tài)氣體直接傳輸?shù)角邢鲄^(qū)和刀具切削刃附近的低溫切削技術(shù)。低溫切削(Cryogenic Machining)利用液態(tài)氮(-186℃)、液體CO2(-76℃)及其他低溫液體的冷卻特性，可極大地提高刀具壽命、加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)效率，與干式切削相比可減小切削力10%～20%、磨削力60%左右，切削一般鋼材時(shí)切削溫度下降300～400℃。
圖1 低溫冷卻自動(dòng)控制裝置
圖2 干式切削與低溫切削的切削溫度分布
低溫切裝置的原理有以下幾種：利用瓶裝液體CO2的自噴對切削區(qū)直接冷卻：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)：采用液態(tài)氮或CO2從外部冷卻工件，來達(dá)到降低切削區(qū)溫度的目的。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。實(shí)驗(yàn)證明，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。圖1為采用液態(tài)氮(LN)直接冷卻刀頭的低溫切削自動(dòng)控制裝置，該裝置是由美國Nebraska-Lincoln大學(xué)的王志勇博士開發(fā)研制的，它成功地解決了用PCBN刀具加工Si3N4陶瓷的難點(diǎn)。從圖2中有限元模型的切削溫度分布可以看出，采用低溫冷卻技術(shù)可降低PCBN刀頭的溫度，確保PCBN刀具的紅硬性和金屬軟化效應(yīng)，大大減少刀具的磨損。
實(shí)驗(yàn)還表明，低溫冷卻技術(shù)的實(shí)施有利于切屑的折斷。普通碳素鋼的力學(xué)性能極大地受切削溫度的影響，在低溫下易于脆裂，因此切屑在低溫條件下呈脆性并比較容易折斷，這為低溫冷卻在切削加工中有助于斷屑提供了可行性的基礎(chǔ)。
3 噴霧冷卻技術(shù)
隨著高速切削和強(qiáng)力切削的發(fā)展，刀具承受著比過去高得多的壓力、摩擦力和溫度，雖然刀具材料的進(jìn)步極大地促進(jìn)了切削效率的提高，但切削區(qū)的冷卻始終是提高刀具壽命的一條重要措施。鑒于防止廢棄切削液對環(huán)境的污染，采用噴霧冷卻不失為一種較好的選擇。噴霧冷卻是利用霧滴汽化散熱的方法來實(shí)現(xiàn)冷卻的。汽化的方式分為兩種：泡狀汽化和層狀汽化。霧化冷卻切削區(qū)屬泡狀汽化，當(dāng)霧滴落于溫度較高的表面時(shí)，形成汽化中心，氣泡的脫離帶動(dòng)霧滴液體劇烈翻動(dòng)，使霧滴進(jìn)一步汽化，把熱量帶走，細(xì)小水滴產(chǎn)生相變成為蒸氣。澆注式冷卻使液體產(chǎn)生層狀汽化，汽化時(shí)蒸氣成層狀，汽化層把被加熱的表面和冷卻介質(zhì)分離，所以液體澆注冷卻僅是對流和熱傳導(dǎo)起主要作用。
圖3 蒸氣噴射器結(jié)構(gòu)簡圖
圖4 環(huán)形氣流放大器結(jié)構(gòu)簡圖
噴霧冷卻裝置的氣流元件主要由引流和被引流兩大部分組成，根據(jù)引流部分所處位置的不同可分為噴射器和環(huán)形氣流放大器兩種。蒸氣噴射器是噴射器中最為典型的一種，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要由噴嘴、吸入室和擴(kuò)壓器三大部分組成。噴嘴的功能是產(chǎn)生高速的擾流，對吸入室的氣體產(chǎn)生擾動(dòng)，帶動(dòng)吸入室的氣體一起流入擴(kuò)壓器中，從而產(chǎn)生氣流放大作用。環(huán)形氣流放大器(見圖4)的特點(diǎn)是高壓的氣體從縫隙很小的環(huán)形間隙流出，形成高速氣流，流入喉部，再從擴(kuò)張段流出，流動(dòng)過程中誘發(fā)大量周圍的自由空氣一同運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn)生較大的氣流輸出。環(huán)形氣流放大器由環(huán)形氣流室、擴(kuò)張室和引流室三部分組成，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較精巧，通過調(diào)節(jié)環(huán)形氣流室內(nèi)的氣流參數(shù)就可調(diào)節(jié)總氣流量的大小。