液氮冷卻在切磨削加工中的應(yīng)用

    在機(jī)械加工中普遍使用的切削液具有潤(rùn)滑、冷卻、清洗及防銹等作用，對(duì)提高切磨削加工質(zhì)量和效率、減少刀具磨損等有著顯著效果，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
    隨著機(jī)械加工業(yè)的發(fā)展，人們開(kāi)始大力發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)，使機(jī)床切削速度更快，切削負(fù)荷更大、切削溫度更高，同時(shí)不斷有新工藝出現(xiàn)來(lái)適應(yīng)新材料的加工，這都需要新型的高性能切削液滿足加工要求；但更重要的是，環(huán)境保護(hù)和人類自身健康越來(lái)越為人們注意的焦點(diǎn)，清潔生產(chǎn)、綠色制造已成為發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)的主題之一。實(shí)踐表明，普通的切削液對(duì)生態(tài)環(huán)境和人類自身會(huì)造成諸多不良影響，已難以適應(yīng)清潔生產(chǎn)和綠色制造的要求。
    因此，現(xiàn)代切削液技術(shù)出現(xiàn)了一些新的發(fā)展特點(diǎn)，首先是在研究開(kāi)發(fā)新的切削液時(shí)，強(qiáng)調(diào)了長(zhǎng)壽命、低毒和低污染，并朝著環(huán)保型切削液發(fā)展，其廢液經(jīng)處理后可完全降解，不會(huì)對(duì)自然界產(chǎn)生危害；其次是大力干切削(切削時(shí)不用切削液)的研究，擴(kuò)大其使用范圍；還有就是努力尋找傳統(tǒng)切削液的替代品。用液氮作為冷卻液進(jìn)行低溫加工，就是一項(xiàng)引起廣泛重視的研究成果。
一、液氮冷卻低溫切磨削加工的特點(diǎn)
    利用液氮進(jìn)行低溫(超低溫)切削加工，就是利用液氮使工件、刀具或切削區(qū)處于低溫冷卻狀態(tài)進(jìn)行切削加工的方法。它可分為兩種形式應(yīng)用：一是直接應(yīng)用，即把液氮象切削液一樣直接噴射到切削區(qū)；二是間接應(yīng)用，在切削加工中用液氮冷卻刀具或工件。
    機(jī)械材料的切削加工與其機(jī)械性能密切相關(guān)，而后者往往隨溫度的變化而不同。例如溫度升高時(shí)，材料的硬度下降，強(qiáng)度降低；溫度降低時(shí)，材料則變脆，塑性減小，有些金屬材料存在明顯的冷脆現(xiàn)象，即當(dāng)溫度降低到某一臨界值時(shí)，材料無(wú)明顯的塑性變形而產(chǎn)生脆性斷裂的特性。材料發(fā)生冷脆現(xiàn)象時(shí)，其韌性大大降低，致使塑性急劇減小，當(dāng)然變形所需之功也會(huì)減少。正是利用材料的低溫脆性和低溫介質(zhì)，低溫切削技術(shù)主要有三大特點(diǎn)，一是可改善難加工材料的切削加工性；二是能提高工件的加工精度和表面質(zhì)量；三是能延長(zhǎng)刀具壽命。這主要因?yàn)楣ぷ鳒囟鹊�，改善了材料的切削加工性，切削力降低，切削熱又被迅速帶走，刀具則始終在較低溫度下工作。
二、液氮冷卻的應(yīng)用
    近年來(lái)，國(guó)外在這方面的研究已取得迅速的發(fā)展，并開(kāi)始用于生產(chǎn)。國(guó)內(nèi)在開(kāi)發(fā)這方面的試驗(yàn)研究，并取得了一些進(jìn)展。主要應(yīng)用在以下幾方面：一是具有低溫脆性的鋼鐵等材料的切削加工；二是對(duì)一些難加工及很難加工的不銹鋼、鈦合金、高強(qiáng)度鋼、高強(qiáng)度耐熱合金等材料低溫切削，可顯示其獨(dú)特的優(yōu)越性；三是解決了一些非金屬材料及復(fù)合材料難加工問(wèn)題。
1. 液氮冷卻的直接應(yīng)用
    即將液氮作為切削液直接噴射到切削區(qū)。氮?dú)馐谴髿庵泻�量最多的成分，液氮作為制氧工業(yè)的副產(chǎn)品來(lái)源十分廣闊。使用液氮作為切削液，應(yīng)用后直接揮發(fā)成氣體返回大氣中，沒(méi)有任何污染物，從環(huán)保方面看，是一種很好的切削液替代品。
    美國(guó)懷特州立大學(xué)S.Y.Hong博士為首的課題組，在解決了液氮從貯存罐到切削區(qū)流動(dòng)過(guò)程中的液氮揮發(fā)問(wèn)題后，在液氮冷卻超低溫狀態(tài)下，對(duì)車(chē)削加工方法進(jìn)行了廣泛的研究。他對(duì)某些刀具材料的超低溫下切削性能實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，在液氮冷卻加工狀態(tài)下，硬質(zhì)合金材料能保持其抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性和耐沖擊強(qiáng)度，其硬度隨溫度的降低而增大，因此硬質(zhì)合金刀具材料在液氮冷卻中能夠保持其優(yōu)良的切削性能，并且和在常溫下一樣，其性能決定于粘結(jié)相的數(shù)量。對(duì)于高速鋼，隨溫度的降低，其硬度增大而抗沖擊強(qiáng)度降低，但總體上能保持較好的切削性能。他對(duì)一些材料在低溫下提高其切削加工性進(jìn)行了研究，選用了低碳鋼AISI 1010、高碳鋼AISI 070、軸承鋼AISI E52100、鈦合金Ti-6Al-4V、鑄造鋁合金A390五種材料，實(shí)驗(yàn)研究表明：由于低碳鋼表現(xiàn)出良好的低溫脆性，低溫切削可獲得理想的加工效果；對(duì)于高碳鋼和軸承鋼，應(yīng)用液氮冷卻可抑制切削區(qū)溫升和刀具磨損速度；在切削鑄造鋁合金時(shí)，應(yīng)用低溫冷卻可提高刀具硬度和刀具抗硅相磨粒磨損能力，在加工鈦合金時(shí)，同時(shí)低溫冷卻刀具和工件，可有效地降低切削溫度和減少鈦和刀具材料之間的化學(xué)親和力�？傊�，都獲得較好的加工效果。
    一般來(lái)說(shuō)，由于刀具磨損極其嚴(yán)重，金剛石刀具不能用來(lái)加工黑色金屬。美國(guó)一學(xué)者采用液氮冷卻加工系統(tǒng)對(duì)不銹鋼用金剛石刀具進(jìn)行車(chē)削加工，由于低溫抑制了碳原子的擴(kuò)散和石墨化，大大減少了刀具磨損，并取得了極好的加工質(zhì)量，其表面粗糙度達(dá)到Ra25nm。
    磨削加工時(shí)會(huì)因磨削區(qū)高溫常常對(duì)工件表面造成熱損傷，如燒傷、微裂紋等。為有效解決這些問(wèn)題，印度工學(xué)院S.Paul對(duì)液氮超低溫磨削五種常用鋼材進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：正確合理地使用液氮冷卻，可有效控制磨削區(qū)溫度，使磨削溫度保持在材料發(fā)生相變溫度之下而不發(fā)生磨削燒傷；并且在材料塑性增大和就較大進(jìn)給量情況下，這種效果更加顯著。
    對(duì)于非金屬材料和復(fù)合材料的液氮冷卻切削加工，國(guó)外也開(kāi)展了廣泛研究。如KFRP(Kevlararamind fiber reinforced plastics)一種高強(qiáng)度/重量比、耐疲勞的復(fù)合材料，用傳統(tǒng)切削方法加工非常困難，限制了這種材料的使用。新西蘭學(xué)者對(duì)其進(jìn)行超低溫冷卻加工，使用液氮不間斷冷卻(0.4～0.5l/min)，極大的改善了這種材料的切削加工性，不但獲得了滿意的加工表面質(zhì)量，還在很大程度上延長(zhǎng)了刀具壽命。采用低溫切削熱固性塑料、合成樹(shù)脂、石墨、橡膠和玻璃纖維等材料時(shí)也均顯示出良好的切削性能。
    由此可見(jiàn)，在有關(guān)法規(guī)越來(lái)越嚴(yán)格，切削液使用和處理費(fèi)用日益升高的情況下，液氮確實(shí)是一種未來(lái)切削加工中比較有效和經(jīng)濟(jì)的切削液替代品。
2. 液氮冷卻的間接利用
    主要是刀具冷卻法，即在加工中不斷地冷卻刀具，使切削熱快速?gòu)牡毒呱稀⑻貏e是刀尖處被帶走，刀尖始終保持在低溫狀態(tài)下工作。美國(guó)林肯大學(xué)的學(xué)者，利用山特維克公司生產(chǎn)的一種配備新型冷卻系統(tǒng)的CBN(PCBN)刀具進(jìn)行試驗(yàn)研究，這種刀具是在車(chē)刀上部的方盒內(nèi)儲(chǔ)存液氮，由進(jìn)口輸入，從出口流出。試驗(yàn)表明，液氮冷卻時(shí)，車(chē)刀切削壽命延長(zhǎng)10倍，磨損降低1/4，并可獲得較小的表面粗糙度。
    還有一種特殊的間接利用方法為噴氣冷卻。日本一些學(xué)者研制出噴氣冷卻系統(tǒng)，系統(tǒng)使用的冷卻氣體是由液氮在熱交換器中冷卻過(guò)的，其溫度低于-50℃。冷卻氣體直接噴射于磨削點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)磨削后工件材料的殘余壓應(yīng)力比使用磨削液磨削要大，而且殘余壓應(yīng)力的分布區(qū)域也變寬了。而殘余壓應(yīng)力可提高零件的抗疲勞壽命，對(duì)一些零件，如飛機(jī)零件等十分重要。采用固體潤(rùn)滑劑處理過(guò)的CBN砂輪，或加工中添加極少量(10l/h)的超精植物油，可在加工中起到較好的潤(rùn)滑作用。
三、結(jié)論
    利用一些鋼鐵材料的低溫脆性，進(jìn)行液氮低溫切磨削加工，可提高其切削加工性，提高加工質(zhì)量。
    把液氮作為切削液直接應(yīng)用，可顯著降低切削溫度，提高加工精度和表面質(zhì)量，延長(zhǎng)刀具(砂輪)使用壽命，液氮是一種未來(lái)切磨削加工中比較有效和經(jīng)濟(jì)的切削液替代品。
    使用液氮冷卻低溫(超低溫)加工，解決了一些難加工金屬材料、非金屬材料和復(fù)合材料的難加工問(wèn)題。
    利用液氮冷卻切磨削加工時(shí)，需使用一些潤(rùn)滑劑解決切屑形成過(guò)程中潤(rùn)滑性差的問(wèn)題；同時(shí)工件上新生的金屬表面具有極強(qiáng)的化學(xué)活性，暴露在空氣中均會(huì)很快生銹，因此，還需使用一些防銹劑來(lái)防止工件、機(jī)床生銹。