彭海，李濤

(西安石油大學機械工程學院，陜西西安 710065)

在傳統(tǒng)的金屬切削加工中，由于切削液的大量使用，極易對環(huán)境和人體造成傷害，同時增大了加工成本。這一方面造成了資源和能源的巨大浪費(據(jù)統(tǒng)計，在集中冷卻加工系統(tǒng)中，冷卻液占總成本的14%～16%，刀具成本只占2%～4%)［1］。在綠色制造的基礎上，采用低溫冷風技術來完成切削時的冷卻、潤滑，同時利用高壓空氣來完成排屑［2］。該項技術可以減少切削液的使用量以及對環(huán)境造成的污染，具有節(jié)能減排的效果，符合當今制造業(yè)綠色化、高效化的要求，同時可以降低生產(chǎn)成本，增加企業(yè)的競爭力。

1 低溫冷風加工機制分析

低溫冷風切削是將－20～－40℃的低溫氣流混合微量的植物性潤滑劑(10～20 mL/h)噴射到切削加工區(qū)域，從而起到冷卻、潤滑和排屑的目的，是一種新型綠色加工技術。它實際是低溫切削技術和MQL(微量潤滑)切削技術的結合，具備了低溫切削和MQL切削各自的優(yōu)點，可以顯著降低切削刀具及工件的溫度，有效抑制刀具磨損，提高刀具的耐用度，改善零件的表面加工質(zhì)量和加工精度［3］。

低溫冷風切削是冷風以射流方式強烈沖刷切削區(qū)的一種加工方法，由日本的橫川和彥教授最早提出［4］。低溫冷風切削工件時，材料會在低溫條件下產(chǎn)生低溫脆性，使材料的塑性降低，從而降低刀具與材料之間的摩擦力，進而產(chǎn)生的切削力會大大降低［5］。此外低溫冷風中混合霧化的切削液高速噴射到切削區(qū)，具有較強的換熱能力，冷卻效果很好，同時噴霧射流產(chǎn)生的微小顆粒具有極強的滲透和吸附能力，滲透至切削區(qū)后形成潤滑薄膜［6］，可以改善切屑與刀具前刀面的潤滑條件，緩解摩擦，抑制切削熱的產(chǎn)生，進一步改善刀具磨損狀況，提高刀具的使用壽命。刀具冷卻潤滑條件的改善會使刀具發(fā)生粘結的可能性大為降低，從而在較大程度上抑制了積屑瘤和鱗刺的出現(xiàn)，降低工件表面的粗糙度，使切削質(zhì)量得到改善［7］。

2 低溫冷風對材料切削性能影響的試驗與分析

2.1 低溫冷風車削試驗條件

此次進行的低溫冷風車削試驗，采用重慶成田低溫加工技術有限公司生產(chǎn)的CTL-40/1.5型冷風射流機，出口溫度可達到－40℃，如圖1所示。試驗中采用不同切削方式分別車削45鋼、不銹鋼和鈦合金等不同金屬材料，分別從切削力、刀具磨損、工件的表面質(zhì)量等方面進行對比分析。刀片選用硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位機夾刀片，考慮工件材料的特點，切削鈦合金與不銹鋼金選用YG8刀片，而45鋼用YT15刀片。整個試驗均在CK6150數(shù)控車床上進行，車削試驗過程如圖2所示。

圖1 低溫冷風射流機

(1)試驗時選取精加工切削參數(shù):n=500 r/min，f=0.05 mm/r，ap=0.5 mm。

(2)采用澆注式、低溫冷風和干式切削3種方式分別車削45鋼、不銹鋼和鈦合金(TC4)，利用車削測力儀及測量系統(tǒng)測試加工過程中所產(chǎn)生的切削力。

(3)使用工具顯微鏡及光切顯微鏡分別觀察并測量上述加工后刀具后刀面磨損值及工件表面粗糙度值。

2.2 低溫冷風對切削力的影響

按照實驗安排測得的低溫冷風、澆注式和干式切削時所受到的主切削力Fc如圖3所示。

圖3 不同加工方式下3種材料主切削力Fc對比圖

3種材料從主切削力Fc對比來看，低溫冷風切削和澆注式切削時的切削力要小于干切削，這可以從切削溫度方面進行解釋。如前面所述，低溫冷風切削時工件的溫度較低，材料會產(chǎn)生低溫脆性，且冷風之中混合霧化的切削液具有較強的換熱能力，其冷卻效果最好，在切削加工中可以獲得較低的溫度，減少刀具的磨損，因而采用低溫冷風切削時會獲得較小的主切削力［8］。

2.3 低溫冷風對刀具磨損的影響

采用低溫冷風式和澆注切削液式的方法切削不銹鋼和鈦合金兩種材料，并進行實驗結果對比來分析低溫冷風對刀具磨損的影響。經(jīng)測量刀具后刀面磨損VB值如表1所示，同時在工具顯微鏡下觀察兩種加工方式下刀具的磨損情況分別如圖4和圖5所示。

表1 刀具后刀面磨損值mm

圖4 切削不銹鋼時后刀面磨損圖

圖5 切削鈦合金時后刀面磨損圖

從圖中可以看出:幾把刀具的磨損都比較均勻，由于鈦合金彈性模量小、散熱性差，其加工難度要大于不銹鋼［9］，所以其刀具的磨損也較嚴重。同時還可以看出:加工鈦合金的刀片有明顯的磨損溝，但兩種材料在低溫冷風條件下的刀具磨損情況明顯優(yōu)于使用澆注式切削。由于刀尖處散熱條件差，溫度較高，所以磨損差別尤其體現(xiàn)在刀尖部位，可以看出加載低溫冷風時刀具磨損量明顯比較小，說明低溫切削時能夠起到很好的冷卻潤滑作用。實驗研究表明:低溫冷風可以顯著均勻地降低加工區(qū)、刀具及工件的溫度，有效地抑制刀具磨損，提高刀具的耐用度［10］。

2.4 低溫冷風對工件表面加工質(zhì)量的影響

分別以傳統(tǒng)澆注式和低溫冷風式切削3種不同材料，對比試驗結果分析低溫冷風對工件表面粗糙度的影響。在光切顯微鏡下測得的工件表面粗糙度如表2所示，圖6所示為工具顯微鏡所測的不同材料的加工表面質(zhì)量。

表2 工件表面粗糙度值μm

圖6 兩種加工方式下工件表面質(zhì)量對比圖

從表中可以看出:使用低溫冷風切削3種不同材料得到的工件表面粗糙度始終要比使用澆注式切削得到的要小。同時從表面質(zhì)量對比圖中也能看出低溫冷風切削具有較好的加工效果。

因為積屑瘤和鱗刺產(chǎn)生的前提條件是切屑底層金屬與刀具前刀面發(fā)生粘結，低溫冷風冷卻了刀具、工件和切屑，使刀具、加工表面和切屑塑性降低，硬度?提高，發(fā)生粘結的可能性大為降低，從而在較大程度上抑制了積屑瘤和鱗刺的出現(xiàn)，使粗糙度得到很好的改善［11］。此外低溫冷風加工能夠提高加工表面質(zhì)量還在于刀具的冷卻潤滑性好，刀具與工件的摩擦力降低，降低了刀具的磨損，同時也能降低切削過程中的振動，從而提高了表面質(zhì)量。

3 總結

將低溫冷風應用于車削加工中，并與其他兩種加工方式進行了對比研究與分析，對低溫冷風對材料切削性能的影響進行了分析，得到如下結論:

(1)利用材料的低溫脆性，在低溫介質(zhì)的作用下切削可以達到改善難加工材料的切削性能、提高刀具的耐用度、提高已加工表面質(zhì)量的目的;

(2)低溫冷風切削時切削力要比傳統(tǒng)的干式切削和澆注式切削的切削力都小，但是其效果因每種材料而有所不同;

(3)低溫冷風具有良好的冷卻和潤滑效果，能夠降低切削過程中刀具的磨損，延長刀具的使用壽命;低溫冷風切削可以降低已加工表面粗糙度，提高工件表面加工質(zhì)量。

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