低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑切削技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用

盧家鋒

匯專(zhuān)綠色工具有限公司（廣東廣州 510530）

1 引言

金屬切削加工過(guò)程中，切削液的作用是對(duì)刀具進(jìn)行潤(rùn)滑及冷卻，提高刀具壽命及工件質(zhì)量。此外，切削液對(duì)機(jī)床的排屑、清洗和防銹也具有重要作用。但是切削液中的一些添加劑，比如苯酚類(lèi)物質(zhì)及防腐、殺菌添加劑在空氣中的擴(kuò)散對(duì)操作人員的健康構(gòu)成威脅，并容易發(fā)生各種皮膚病、呼吸系統(tǒng)和肺病；切削液的處理和排放又容易造成環(huán)境污染。鑒于環(huán)境保護(hù)和對(duì)工人健康的需要，綠色加工技術(shù)成為必然選擇。

目前，綠色加工技術(shù)主要有：干切削技術(shù)、綠色濕式加工技術(shù)、少無(wú)切屑加工技術(shù)、微量潤(rùn)滑技術(shù)（準(zhǔn)干式加工）、低溫切削技術(shù)等[1]。干切削加工技術(shù)指切削過(guò)程中不使用切削液，避免切削液帶來(lái)環(huán)保及健康問(wèn)題，但是干式切削過(guò)程刀具產(chǎn)生熱量及切削力變大，這對(duì)刀具、機(jī)床、加工材料及參數(shù)等多方面有著特殊的要求，限制了其推廣應(yīng)用。綠色濕式切削是指使用切削液具有高性能、低污染、長(zhǎng)壽命、可降解的特點(diǎn)，從而達(dá)到綠色環(huán)保要求的切削加工方式[2]。少無(wú)切屑加工技術(shù)是在傳統(tǒng)的毛坯制造工藝（鑄造、鍛壓）的基礎(chǔ)上，通過(guò)采用新技術(shù)和方法而發(fā)展起來(lái)的精密成形加工技術(shù)[3～4]。微量潤(rùn)滑（MQL）是將壓縮空氣和微量潤(rùn)滑介質(zhì)（一般為2～30mL/h）混合，噴射到加工區(qū)域，有效潤(rùn)滑刀具和工件。微量潤(rùn)滑技術(shù)使用最小量的切削液即可達(dá)到延長(zhǎng)刀具壽命、提高工件質(zhì)量目的[5]。但在切削發(fā)熱較大的場(chǎng)合，如加工鈦、高溫合金等，由于冷卻性能不足，出現(xiàn)潤(rùn)滑油膜破裂而導(dǎo)致潤(rùn)滑性能劇烈下降。低溫切削指在低溫環(huán)境下進(jìn)行切削的過(guò)程，低溫切削能夠及時(shí)帶走切削熱量，但刀具與工件的潤(rùn)滑性能不足[6]。

低溫微量潤(rùn)滑（Cryogenic minimum quantity lubrication，CMQL）技術(shù)融合了微量潤(rùn)滑技術(shù)和低溫切削技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，低溫介質(zhì)的加入降低了切削區(qū)域的溫度，而切削區(qū)域溫度的降低，使形成的潤(rùn)滑膜進(jìn)一步保持潤(rùn)滑能力，達(dá)到降低刀具磨損目的[7～8]。

本文綜述了低溫微量潤(rùn)滑技術(shù)的機(jī)理，總結(jié)了低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑技術(shù)最新研究成果，分析了低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑技術(shù)工程應(yīng)用問(wèn)題以及發(fā)展方向，為低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑技術(shù)的進(jìn)一步研究以及工程應(yīng)用提供參考。

2 低溫微量潤(rùn)滑切削技術(shù)

低溫微量潤(rùn)滑是低溫介質(zhì)與微量潤(rùn)滑油混合氣化后，噴射至加工區(qū)域，對(duì)加工區(qū)域?qū)嵤├鋮s和潤(rùn)滑的一種準(zhǔn)干式切削技術(shù)。低溫介質(zhì)主要有低溫冷風(fēng)、低溫CO2、液氮（氮?dú)猓┑?，通過(guò)加入低溫介質(zhì)，可以顯著降低加工區(qū)域溫度，減少刀具磨損[9～10]。

對(duì)于微量潤(rùn)滑的機(jī)理，一種研究認(rèn)為切削過(guò)程中的邊界潤(rùn)滑效應(yīng)。如圖1所示，當(dāng)潤(rùn)滑油量非常小時(shí)，工件上形成單分子吸附層，以盡量降低表面的自由能?？梢钥闯觯?dāng)潤(rùn)滑油量介于A和C之間時(shí)，能夠迅速補(bǔ)充峰頂，峰值油膜恢復(fù)；當(dāng)油膜處于A以下時(shí)，由于油膜非常薄且難以流動(dòng)，峰值油膜被破壞，油層不補(bǔ)充，造成干摩擦。當(dāng)油量超過(guò)C時(shí)，摩擦系數(shù)就會(huì)不穩(wěn)定?？梢?jiàn)，切割面積的有效潤(rùn)滑并不是盡可能多，但有一定的數(shù)值范圍。數(shù)值的范圍與切削流體的性質(zhì)、摩擦副的材料性質(zhì)和表面粗糙度有關(guān)[11～12]。

在當(dāng)前我國(guó)長(zhǎng)江航道局對(duì)于“管理與疏浚分離”的改革工作正在不斷的推進(jìn)，其主要的目的是為了在航道的養(yǎng)護(hù)管理工作之中將疏浚分離出去。

圖1 切削過(guò)程中的邊界潤(rùn)滑效應(yīng)

另一種研究認(rèn)為是毛細(xì)現(xiàn)象，如圖2所示，刀具切削時(shí)，由于前刀面和切屑底面的摩擦和耕犁作用，刀具與切屑接觸區(qū)出現(xiàn)了許多的毛細(xì)管，當(dāng)其和空氣接通時(shí)，通過(guò)虹吸作用，潤(rùn)滑液被擠壓進(jìn)管道中，滲入加工區(qū)域內(nèi)，對(duì)刀刃進(jìn)行潤(rùn)滑[13～14]。

圖2 切削過(guò)程中的毛細(xì)現(xiàn)象

3 低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑切削技術(shù)

3.1 低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑裝置

低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑裝置主要由制冷系統(tǒng)、微量潤(rùn)滑油供給系統(tǒng)、切削加工系統(tǒng)等組成。低溫冷風(fēng)是微量潤(rùn)滑裝置的關(guān)鍵部分，獲得低溫冷風(fēng)主要有以下5種形式：①使用低沸點(diǎn)介質(zhì)的間接冷卻；②以半導(dǎo)體制冷為核心的復(fù)合制冷；③空氣絕熱膨脹直接制冷；④循環(huán)壓縮式間接制冷（即蒸氣壓縮制冷）；⑤渦流管直接制冷。

（1）使用低沸點(diǎn)介質(zhì)的間接冷卻。

此種制冷方法利用低沸點(diǎn)介質(zhì)（如液氮等）通過(guò)熱交換器的空氣進(jìn)行汽化冷卻，使空氣冷卻到-100℃以下。低沸點(diǎn)介質(zhì)的流量可以控制空氣溫度，過(guò)冷時(shí)可由加熱器加熱。此種制冷方式制冷效率高，但在連續(xù)切削時(shí)需要液氮等低沸點(diǎn)介質(zhì)在外部制備，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行成本高。

（2）以半導(dǎo)體制冷為核心的復(fù)合制冷。

這種制冷方法將半導(dǎo)體冷卻與蒸汽壓縮制冷（循環(huán)壓縮制冷）相結(jié)合，以半導(dǎo)體冷卻為核心冷源，提高了裝置的冷卻速度和調(diào)節(jié)冷空氣溫度的能力，并且蒸汽壓縮制冷提高了半導(dǎo)體熱電反應(yīng)爐的熱端散熱，以使裝置的運(yùn)行具有更高的效率。

（3）空氣絕熱膨脹直接制冷。

空氣絕熱膨脹式制冷利用高壓氣體絕熱膨脹達(dá)到低溫，利用膨脹氣體在低壓下冷卻。膨脹機(jī)氣源壓力和出口氣體壓力及其本身性能決定冷風(fēng)出口溫度。這種制冷方式是一種開(kāi)放型的直接制冷方式，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，但冷風(fēng)溫度控制困難，成本較高。

（4）循環(huán)壓縮式間接制冷。

循環(huán)壓縮式制冷系統(tǒng)由壓縮機(jī)，冷凝器，節(jié)流閥，蒸發(fā)器組成。壓縮機(jī)將從蒸發(fā)器來(lái)的低壓制冷劑壓縮成高溫高壓的蒸汽后進(jìn)入冷凝器，受到水或空氣的冷卻而成高壓液體。經(jīng)節(jié)流機(jī)構(gòu)節(jié)流成低壓液體，蒸發(fā)器中吸收熱量以達(dá)到冷卻的目的。冷風(fēng)溫度可由蒸發(fā)器的蒸發(fā)壓力和冷媒液體供應(yīng)調(diào)節(jié)。此種制冷方式冷風(fēng)溫度在一定范圍內(nèi)可控，較適合用于低溫冷風(fēng)裝置。

（5）渦流管直接制冷。

渦流管制冷是使高速氣流產(chǎn)生漩渦，分離出冷、熱兩股氣流，利用冷氣流而獲得制冷方法。冷風(fēng)出口溫度與入口氣壓和排出氣體流量有關(guān)。入口氣壓及排出氣體流量越大，產(chǎn)生的溫差就大。渦流管制冷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜龐大的制冷設(shè)備，但其制冷溫度有限，制冷效率較低，壓縮空氣消耗量大。

3.2 低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑裝置國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)外多家企業(yè)已生產(chǎn)出用于微量潤(rùn)滑的低溫冷風(fēng)發(fā)生裝置。主要制冷形式為：氮?dú)鈿饬鳟a(chǎn)生裝置、使用低沸點(diǎn)的工作材料作為制冷劑的間接冷卻裝置，以及通過(guò)壓縮空氣制冷循環(huán)的間接冷卻方法，但其價(jià)格相對(duì)昂貴[15]。

在國(guó)內(nèi)，許多科研院校進(jìn)行了低溫冷風(fēng)發(fā)生裝置相關(guān)研究和開(kāi)發(fā)，并取得了一定的成果。

重慶大學(xué)的童明偉等人利用絕熱膨脹制冷方式研制了一種低溫冷風(fēng)發(fā)生裝置。該裝置由防凍噴嘴、制冷風(fēng)機(jī)、吸塵器和保溫管等構(gòu)成。防凍噴嘴可利用制冷風(fēng)機(jī)排出的低溫空氣（-10℃～-50℃）對(duì)加工部位實(shí)施低溫冷卻[16]。

華東船舶工業(yè)學(xué)院的任家隆開(kāi)發(fā)了一套蒸氣壓縮制冷方式低溫冷風(fēng)發(fā)生裝置，其有兩個(gè)蒸發(fā)腔分別固定在帶有進(jìn)出口的各自蒸發(fā)器腔體中，經(jīng)試驗(yàn)，該裝置無(wú)污染，提高刀具壽命3倍以上，切削力、切削熱降低6%～25%[17]。

南京航空航天大學(xué)的蘇宇將半導(dǎo)體制冷與蒸氣壓縮制冷（循環(huán)壓縮制冷）復(fù)合，研制了一種新型低溫冷風(fēng)MQL裝置，以半導(dǎo)體制冷為核心冷源，提高裝置的制冷速度和調(diào)節(jié)冷風(fēng)溫度的能力，蒸氣壓縮制冷來(lái)強(qiáng)化半導(dǎo)體熱電堆熱端散熱，使裝置運(yùn)行中具有較高的效率[18]。

重慶大學(xué)的徐正德開(kāi)發(fā)了新型CW-MQL切削冷卻系統(tǒng)，并通過(guò)理論計(jì)算，實(shí)現(xiàn)冷風(fēng)噴嘴在頻繁換刀時(shí)與刀具的同步位移，從而保證良好的加工效果，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)化檢測(cè)[19]。

目前國(guó)內(nèi)已有低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑設(shè)備形成商品，如重慶成田低溫加工技術(shù)有限公司、匯專(zhuān)綠色工具有限公司、東莞安默琳機(jī)械制造技術(shù)有限公司等。

3.3 低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑切削技術(shù)研究

低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑切削是在冷風(fēng)中加入微量潤(rùn)滑油霧，以射流方式強(qiáng)烈沖刷切削區(qū)域的一種加工方法。單獨(dú)使用冷風(fēng)進(jìn)行切削加工技術(shù)是由日本橫川技術(shù)研究所橫川和彥教授最先提出的。低溫冷風(fēng)切削與氣體射流切削的不同之處在于氣體介質(zhì)的溫度，氣體射流切削時(shí)氣體介質(zhì)為常溫，而低溫冷風(fēng)切削時(shí)氣體介質(zhì)的溫度可在-10～-100℃。

橫川和彥教授在中碳鋼銑削試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)低溫冷風(fēng)冷卻時(shí)銑刀壽命分別是常溫風(fēng)冷和切削液冷卻的1.5～2.0倍。以186m/min的切削速度車(chē)削35CrMo時(shí)，低溫冷風(fēng)切削也均能取得良好的效果[20～21]。

賀愛(ài)東研究了CMQL切削的表面殘余應(yīng)力，如圖3所示，其研究表明低溫介質(zhì)一方面可以降低工件切削區(qū)域的溫度，使工件材料脆性增加，減少切削時(shí)的塑性變形；另一方面會(huì)在材料表層形成一個(gè)以冷縮為主要特征的預(yù)應(yīng)力場(chǎng)，抑制殘余拉應(yīng)力的產(chǎn)生，或?qū)е職堄鄩簯?yīng)力的產(chǎn)生[22]。

圖3 不同潤(rùn)滑方式的表面殘余應(yīng)力

Alborz Shokrani提出了一種新的低溫MQL冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)，并對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金的加工進(jìn)行了測(cè)試，基于刀具的磨損量提出了低溫MQL的刀具壽命模型。與切削液冷卻相比，低溫MQL冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)刀具壽命提高30倍，切削效率提升50%，并且在隨著切削速度增加，低溫MQL比MQL、低溫切削及切削液能得到更好的表面質(zhì)量[23]，如圖4所示。

圖4 不同冷卻和切削條件下的平均表面粗糙度值

4 結(jié)論與展望

在環(huán)保意識(shí)盛行的今天，堅(jiān)持把綠色發(fā)展作為建設(shè)制造強(qiáng)國(guó)的重要著力點(diǎn)。低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑切削技術(shù)為低溫冷風(fēng)技術(shù)和MQL技術(shù)的結(jié)合體，融合了兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)發(fā)展迅速，在一些重型切削場(chǎng)合已得到應(yīng)用，但低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑技術(shù)在更廣泛的切削加工場(chǎng)合發(fā)揮作用，則還有許多實(shí)際應(yīng)用問(wèn)題需要解決。如冷風(fēng)傳輸管路需要加保溫措施，使得傳輸管尺寸變大，布置困難；換刀時(shí)，噴嘴自適應(yīng)差，需要手動(dòng)調(diào)整噴嘴，影響加工效率；針對(duì)特定的材料及加工方式如何選擇最優(yōu)冷風(fēng)參數(shù)等。隨著綠色加工理念不斷推廣，低溫冷風(fēng)微量切削技術(shù)將成為未來(lái)機(jī)械加工制造領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，也將得到更廣泛的應(yīng)用。

《塑料注射模抽芯機(jī)構(gòu)圖冊(cè)》

吳祥生 著

隨著高分子材料科學(xué)的進(jìn)步，各種具有優(yōu)越性能的工程塑料已逐步得到應(yīng)用，由這些高性能塑料成型的制品已應(yīng)用到航空、航天、汽車(chē)、家電、電子、建筑、水利灌溉、家居民用等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域，其成型制品的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，質(zhì)量也不斷提高。目前采用注射成型工藝生產(chǎn)的塑料制品總量約占整個(gè)塑料制品總量的40%，而注射成型中注射模的作用是極具重要的，所以，注射模設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接影響著塑料制品的生產(chǎn)效率、質(zhì)量及成本。為了提高塑料制品的內(nèi)在質(zhì)量和成型效率，注射模結(jié)構(gòu)中常會(huì)大量采用抽芯機(jī)構(gòu)，因?yàn)槌樾緳C(jī)構(gòu)種類(lèi)繁多，要選擇應(yīng)用好抽芯機(jī)構(gòu)也不容易。目前還找不到較全面地介紹各種有關(guān)注射模抽芯機(jī)構(gòu)的書(shū)籍，因此，深圳市模具技術(shù)學(xué)會(huì)與作者探討，出一本較全面的介紹各種抽芯機(jī)構(gòu)的圖書(shū)。經(jīng)過(guò)兩年多的努力，終于完成了《塑料注射模抽芯機(jī)構(gòu)圖冊(cè)》，該書(shū)詳細(xì)介紹了各種滑塊抽芯、斜推桿抽芯、彈性元件分型抽芯、強(qiáng)制脫模抽芯、滑塊斜推桿上的塑件保護(hù)機(jī)構(gòu)等內(nèi)容，是一本為廣大從事塑料注射模設(shè)計(jì)和制造技術(shù)人員提供實(shí)用參考的工具書(shū)。同時(shí)也可為同行提供一些新的設(shè)計(jì)思路和方法。

本書(shū)由北京燕山出版社出版，定價(jià)80元，歡迎讀者訂購(gòu)，聯(lián)系電話：0755-83892668。