东莞安默琳机械制造技术有限公司
摘要：众所周知，在切削金属材料时，控制切削热的产生和释放对于延长刀具寿命和保证工件质量具有重要意义。传统的控制切削热的方法包括限制切削速度和进给量等切削参数，以及使用浇注乳化液作为切削剂，起到冷却、润滑的作用。虽然这些方法起到了一定效果，但工件的生产加工效率仍然较低且成本高。本文就低温切削技术发展现状展开分析。
关键词：低温切削技术；发展；现状
1、低温切削的优点
低温切削法通过低温冷媒冷却使得刀尖加工部位温度有效降低，此外，油雾、冷气流和冷却液还起到润滑和排屑的作用。切削点低温化，不仅使工件材料局部冷脆，有利于强化切屑的剪切断裂并降低切削负荷，同时也防止了刀具自身的扩散磨损、相变磨损和粘结磨损。低温切削适合钛、镁、铂、高硅铝合金、镍铬合金和不锈钢等难切削材料和薄壁材料的加工。低温切削技术在保障员工人身安全上还具有潜在好处，低温切削加工后，机床表面不会残留切削液，因此，在一些操作人员有时需要在大型机床工作台上走动的加工中，可以大大减少滑倒、受伤的风险。在环境保护方面，低温切削无需使用人造冷却液，而是使用取自空气的氮气（或二氧化碳），而且最终又回归空气中。因此无需处理废液，不会污染空气，也不会污染加工的医疗器件或其他敏感工件。
2、低温切削技术的分类
2.1氮气流切削法
专用氮气发生装置把空气中的氧气、二氧化碳和水排出，提取氮气，并将这些常温氮气喷入切削区。
2.2超低温冷却切削法（冷却液冷却法）
在一定压力作用下，将液氮或是液体二氧化碳送入切削点，使工件、刀具或切削区处于低温冷却状态进行切削加工的方法。它可分为2种形式应用：①直接应用，即把液氮像切削液一样直接喷射到切削区。②间接应用，在切削加工中用液氮冷却刀具或工件。
2.3低温冷风切削法
低温冷风切削是在加工过程中用-10℃～-100℃的冷风冲刷加工区，并混入微量的植物性润滑剂（10～20mL/h），从而降低刀具和工件温度的一种切削技术。
2.4低温微量润滑切削法
低温微量润滑切削技术是低温冷风切削技术与微量润滑切削技术（MQL）的集成，它既融合了低温冷风切削技术与微量润滑切削技术的优势，同时又弥补了两种切削技术单独应用时的缺陷，在难加工材料的切削加工上体现出了显著的优越性。
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3、低温切削技术的应用
3.1冷却液冷却
使用YM051硬质合金可转位刀片刀加工高强度钢35CrMnSiA，设计了低温液氮切削、干切削和冷却液浇注切削的对比试验，试验结果表明：采用液氮低温切削加工技术提高了工件表面质量，延长了刀具寿命，降低了生产成本，并且有利于实现清洁生产。
采用液氮冷却进行TC4钛合金的大进给铣削试验，测试了液氮冷却条件下大进给铣削TC4钛合金的铣削力、铣削温度以及刀具磨损等，并与乳化液和低温冷风条件下的测试结果进行了对比分析。结果表明：采用液氮冷却比使用乳化液能更有效地降低切削力和切削温度；比采用低温冷风冷却能更有效地延长刀具寿命。
就低温冷却对铣削加工的稳定极限的影响做了大量试验研究。试验使用端铣法加工7075-T6铝合金，采用液氮喷射冷却法冷却，研究低温冷却对切削力和刀具系统动态特征的影响。研究结果表明：低温冷却可以大幅提高端铣的稳定极限，对切削区应用液氮喷射有助于切屑的排出，显著降低切削力，同时使铣削边缘力增加，从而扩大了稳定范围。
把液氮低温切削技术应用于纤维增强塑料（FRP）工件的剪切加工。由于粘结材料和纤维的不同性能，引起切削区的纤维撕裂、层离和弥散效应，纤维增强塑料的切割一直是一项具有挑战性的工艺过程。将低温切削技术应用于FRP的大规模生产能够显著提高生产率，优化产品质量。液氮通过工作台的内部管路送达工件切削区，工件经制冷后剪切。试验表明：FRP试件在室温下的剪切结果均匀性极差，质量不能满足要求。而在低温下进行剪切时，低温环境可以显著减弱粘结材料中微粒的延展运动，使粘结材料脆性提高。FRP的最终剪切结果表现出更加均匀的材料性能和剪切区更小的损伤效应。
在干式和低温液氮冷却环境下使用碳化钨涂层的硬质合金刀片在多种切削速度和进给率下对Ti6AI4V合金进行切削试验，以评估刀具磨损增长机理。结果表明：刀具磨损随切削速度和进给率的增加而增大；低温冷却比干式切削更有利于减轻刀具切削表面和工件材料的磨损。
3.2低温冷风切削
某科学人员对两种切削速度下切削Ti6Al4V合金时低温压缩空气冷却对刀具磨损和切削力的影响，并且与干式加工进行了对比。研究表明：在切削初始，应用低温压缩空气冷却的切削力比干式加工的切削力大，但随着切削时间延长风冷切削力减小。在高速切削中由于风冷条件下积屑瘤尺寸显著减小，风冷切削力减小程度更加显著。此外，由于风冷作用，使得切削温度降低，积屑瘤尺寸减小，切削刃热软化程度降低，从而使切削刃塑性变形受到抑制，延长了刀具寿命。
使用低温二氧化碳气体混入少量含氯矿物油作为切削液，对奥氏体不锈钢做开槽、车螺纹试验，与普通切削液进行对比。结果显示：在切削效率上低温二氧化碳切削比普通浇注切削高出15%～70%，刀具寿命延长了18%～38%。证明低温二氧化碳可以作为一种潜在切削液。
3.3低温微量润滑切削技术
在几种典型难加工材料切削上的应用中使用自主研发的低温微量润滑系统对几种典型难加工材料如钛合金（TC4）、高温合金（GH4169）、不锈钢（1Cr18Ni9Ti）、高强钢等进行了一系列切削试验研究，试验结果表明：在所选定的切削参数下，使用低温微量润滑切削可以显著降低切削力、刀具磨损，改善已加工表面质量，提高刀具寿命，加工效率比传统的浇注式切削显著提高，并且工件加工硬化现象也有所改善。镍钛形状记忆合金在加工中具有极高的刀具磨损率，成为限制镍钛合金传统加工的主要因素。
将研究重点放在比较低温冷却、微量润滑（MQL）和干式加工对刀具磨损率和刀具连续磨损的影响方面，在以上三种工况下对切削边缘的侧面磨损、沟槽磨损以及切削力和已加工表面质量进行了试验研究，结果表明：低温加工在高切削速度下降低镍钛形状记忆合金加工中刀具的磨损率和在相对较低切削速度下减轻刀具侧面连续磨损、切削区深处的沟槽磨损方面都有显著的效果。此外，在考虑切削分力、工件表面质量等其他加工参数前提下，低温冷却在提高切削加工性能方面也具有显著优势。
结束语
综上所述，低温切削加工技术已经成为现代金属加工工艺一种十分重要的技术手段，尤其在加工钛合金、高温合金等难加工材料方面比传统加工方法具有更加显著的优势。低温切削技术可以通过控制切削区的温度来降低磨损，在很大程度上延长刀具寿命，改善工件表面质量，因此，该技术已成为材料切削加工中最有利的方法之一。
参考文献
[1]陈超.基于环境意识的绿色切削加工技术[J].机械设计与制造，2010.
[2]袁松梅.低温微量润滑技术在几种典型难加工材料加工中的应用[J].航空制造技术，2011.
[3]万宏强.低温切削技术及其应用研究[J].煤矿机械，2013.
论文作者:张世德
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第10期
论文发表时间:2018/9/4
标签：低温论文; 加工论文; 刀具论文; 磨损论文; 工件论文; 液氮论文; 技术论文; 《建筑学研究前沿》2018年第10期论文;