低温冷却切削加工研究与应用

乔培平

(陕西工业职业技术学院 机械工程系，陕西 咸阳 712000)

低温冷却切削加工研究与应用

乔培平

(陕西工业职业技术学院 机械工程系，陕西 咸阳 712000)

研究了低温冷却切削加工的工作原理，介绍了低温切削装置的组成及特点，并对其类型及应用过程做了较详细的分析说明。最后，通过2个实例介绍了其应用情况，结果表明，低温冷却切削难加工材料均取得了良好效果，有一定参考价值，是一种值得推广的切削方式。

低温冷却切削；难加工材料；刀具使用寿命；切削温度

随着制造业的发展，新材料不断涌现，有些材料具有高强度、高硬度、良好的化学惰性和很低的热导率，采用常规加工方法和常用刀具材料对其进行加工很难取得满意的结果。而采用低温加工系统对这些极难加工的材料进行干切削却表现出了优异的效果。

低温冷却切削是利用液态氮(-186 ℃)、液体CO2(-76 ℃)及其他低温液体或气体的冷却特性，通过特定装置将冷却气体或液体送入切削区，来降低切削区温度的切削加工方法。采用该方法，可极大地提高刀具使用寿命和生产效率，显著改善加工精度和表面质量，还可以使切削点低温化，不仅使工件材料局部变脆，有利于切屑的撕裂，降低切削负荷，同时也防止了刀具自身的软化，减少了与工件之间的摩擦、粘接、扩散和相变磨损，使刀具使用寿命得到提高，尤其适合钛、镁、铝、钼和不锈钢等难加工材料和薄壁材料的加工。

低温切削装置的原理如下：1)利用瓶装液体CO2的自喷对切削区直接冷却；2)用经干燥的空气维持杜瓦瓶的恒压，利用虹吸原理让压缩空气从瓶中抽出液态氮，经特制的喷嘴喷向切削区；3)采用液态氮或CO2从外部冷却工件，从降低切削区的目温度。有的采用刀具内部制冷方法，甚至把刀具与冷冻机直接相连对刀具进行循环冷却，效果也很明显。试验证明[1]，低温切削钛合金、不锈钢、高强度及耐磨铸铁等均能取得良好效果。低温切削钛合金时，切削温度可降低300～400 ℃，磨削力可减小60%。低温切削不锈钢时，刀具使用寿命可提高3～5倍。据有关资料介绍[2]，工件温度在-20 ℃时，积屑瘤基本被抑制，<-20 ℃时，不仅积屑瘤消失，而且在加工表面上可清晰地观察到切削刃原形的刻印痕迹，大幅度减小了其表面粗糙度值；同时，低温冷却技术有利于切屑的折断。

1 低温冷却切削的分类

低温冷却切削加工通常按以下方法进行分类。

1)根据冷却对象不同，将低温冷却切削分为冷却刀具的低温冷却切削(见图1)和冷却工件的低温冷却切削(见图2)。

图1 冷却刀具的低温 图2 冷却工件的低温冷却切削原理 冷却切削原理

2)根据冷却形式不同，将低温冷却切削分为内冷式切削(见图3)和外冷式切削(见图4)。外冷式只使工件或刀具表面温度降低，内部温度仍然较高；内冷式可使整个工件或刀具温度一致，切削效果比外冷式好。

图3 内冷式低温冷却 图4 外冷式低温冷却切削原理 切削原理

3)根据制冷方式的不同，将低温冷却切削分为机械式制冷切削、化学式制冷切削和电子式制冷切削。

4)根据低温介质及使用方法的不同，可将低温冷却切削的温度分为3个区，即亚常区(2～6 ℃)、低温区(0～-30 ℃)和超低温区(<-50 ℃)。

2 低温冷却切削的步骤

低温冷却切削的步骤如下。

1)根据加工对象和加工刀具的特性，设定最佳低温加工温度Topt。

2)利用冷却剂或其他方法，使特定封闭加工区的温度达到Topt。

3)自动控制低温流体的喷射量，以维持加工区温度在Topt。一方面，当检测的加工区温度偏离Topt时，通过反馈控制器调节喷射流量；另一方面，当加工系统输入功率发生变化时，通过反馈控制器调节流量，以维持最佳低温状态。低温冷却切削示意图如图5所示。

图5 低温冷却切削示意图

3 低温冷却切削加工应用举例

3.1 对Ti合金进行低温冷却切削试验

钛合金Ti-6Al-4V具有良好的力学性能，被广泛应用于航空工业，经热处理后，其强度可>1.17×103MPa，而热导率很低，约为15 W/(m·k)。切削过程中，切屑与刀具接触区有很高的温度，Ti也产生了化学反应，使刀具产生熔接而加剧了刀具磨损。

试验采用H13A硬质合金刀具材料切削钛合金Ti-6Al-4V，分别用油冷却切削和液态氮冷却干切削[3]，切削速度为132 m/min，进给量为0.2 mm/r，背吃刀量为1 mm。刀具的几何参数为：前角γo=0°、后角αo=7°、刃倾角λs=0°、刀尖圆弧半径rε=0.88 mm。其磨损曲线如图6所示，测得的切削温度如图7所示。试验结果表明，采用液氮循环冷却刀具的方法低温加工钛合金时，刀具的磨损明显减小，切削温度降低约40%，工件表面粗糙度大幅度减小。由此可见，低温冷却的效果非常明显，而且液氮是一种很容易获得的原料，价格便宜，还可以反复使用。

图6 切削Ti-6Al-4V磨损曲线

图7 切削Ti-6Al-4V测得的切削温度

3.2 采用气体冷却进行低温冷却切削加工

用低温强风对切削区域进行冷却和排屑也是对难加工材料进行干切削的一种有效方法，用气体冷却的效果和经济性相比其他方法均表现出明显的优势。气体介质的温度可控制在<-20 ℃，低温气体比液体更易进入切削区以及刀具、切屑和工件的接触面，增加了冷却效果。低温气体对刀具的冷却均匀充分，避免了液体冷却不充分时刀具表面产生的微裂纹。气体介质可以为空气、氮气等，若采用空气介质，其成本几乎没有，也没有排放和处理的投资费用；因此，该冷却系统的运行成本较低。

气体低温冷却系统如图8所示[4]，其包括气泵、压缩机、干燥装置、冷冻装置、调温增压装置和送风装置等。目前，国内外用于切削试验的风冷系统的温度为-50～10 ℃，压力为0.3～0.8 MPa，流量为1～3 m3/min。

图8 气体低温冷却系统

切削35CrMo钢时的刀具磨损曲线如图9所示。切削速度为200 m/min，进行常温(20 ℃)和低温(-20 ℃)风冷却、断续和连续切削。低温风冷却时，刀具磨损率显著下降。试验表明，利用气体的低温冷却系统进行断续或连续干切削均能取得良好的效果。

图9 切削35CrMo钢时的刀具磨损曲线

4 结语

采用低温加工系统对极难加工的材料，如钛合金、高锰钢、工程陶瓷和高强度钢等进行低温冷却切削均取得了良好的效果。低温冷却切削时，在降低切削力、切削温度、减少刀具磨损、易于断屑、提高刀具使用寿命和加工表面质量以及经济性等方面均表现出明显的优势。

[1] 刘志峰,张崇高,任家隆.干切削加工技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2005.

[2] 刘光复.绿色设计与绿色制造[M].北京:机械工业出版社,1999.

[3] 孙公新.超冷却车削加工[J].国外金属加工,2002(4):19-26.

[4] 张震,何曙华.低温冷风切削技术浅谈[J].工具技术,2002(6):32-33.

责任编辑李思文

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

乔培平(1975-)，男，讲师，主要从事设备控制技术、金属切削等方面的教学和研究。

2014-10-31