內(nèi)部液氮冷卻低溫切削加工全新技術(shù)（液氮冷卻低溫切削）

低溫切削加工有何優(yōu)勢？用于低溫切削的制冷方法主要有低溫風(fēng)冷、液氮冷卻和電子冷凍等。今天先介紹一下大家近期比較關(guān)注的液氮冷卻低溫切削加工技術(shù)；

所謂液氮冷卻就是利用液氮進行低溫切削加工，即利用液氮使工件、刀具或切削區(qū)處于低溫冷卻狀態(tài)進行切削加工的方法。氮氣是大氣中含量最多的成分，液氮作為制氧工業(yè)的副產(chǎn)品來源十分廣闊。使用液氮作為切削液，應(yīng)用后直接揮發(fā)成氣體返回到大氣中，沒有任何污染物，從環(huán)保方面看是一種有前途的切削掖替代品。

低溫切削加工的液氮冷卻有應(yīng)用方法（直接、間接）

液氮冷卻直接應(yīng)用之低溫切削加工

即將液氮作為切削液直接噴射到切削區(qū)。一般來說由于刀具磨損嚴重，金剛石刀具不能用來加工黑色金屬。而美國一學(xué)者采用液氮冷卻系統(tǒng)對不銹鋼用金剛石刀具進行車削加工，由于低溫抑制了碳原子的擴散和石墨化，大大減少了刀具磨損，并取得了極好的加工質(zhì)量。

液氮冷卻間接利用低溫切削加工

主要是刀具冷卻法，即在加工中不斷地冷卻刀具，使切削熱快速從刀具特別是刀尖處被帶走，刀尖始終保持在低溫狀態(tài)下工作。美國林肯大學(xué)學(xué)者利用一種配備新型冷卻系統(tǒng)的刀具進行了試驗研究。這種刀具是在車刀上部的方盒內(nèi)儲存液氮，由進口輸人，從出口流出。試驗表明使用液氮冷卻時車刀壽命提高數(shù)倍，磨損降低1/4并可獲得較低的表面粗糙度。

采用液氮作為冷卻劑這本身并不是一個新的創(chuàng)意，但目前的這項專利技術(shù)與以前的各種冷卻方法完全不同。液氮冷卻的其他應(yīng)用方式通常是將整個低溫切削加工工作區(qū)完全浸沒在液氮中，或者通過一個外部噴嘴向工作區(qū)進行液氮噴霧。

目前的冷卻方法可以最貼切地表述為最小量低溫切削。該方法讓液氮以較低的速度流過主軸和刀具的內(nèi)冷卻通道，與最小量潤滑的情況比較類似。但不同的是這樣做的目的不是潤滑是冷卻，而且是極度深冷。

液氮冷卻超低溫切削技術(shù)的推出，可以實現(xiàn)通過主軸中心和刀柄中心在刀片切削刃部的微孔中釋放出液氮，刀具切削產(chǎn)生的熱量被液氮氣化（液氮的沸點為-320℃）的瞬間帶走，尤其是在超硬材料加工和復(fù)合材料加工上會有更好的效果，切削速度可以大大提高，刀具壽命也可以大大延長。

內(nèi)氮氣冷卻低溫切削加工新技術(shù)

在低溫切削加工系統(tǒng)中，溫度為-196℃的液氮通過主軸、刀柄和刀體內(nèi)部的管道流動，然后通過在切削刀片中用放電加工方式加工的出口，到達距剪切面不到1mm處。

在低溫切削加工系統(tǒng)中，液態(tài)二氧化碳和液氮可以作為有效的冷卻劑。以前的低溫切削加工系統(tǒng)都是通過管道將超冷液體從外部引到刀具或工件介面處，為了在切削難加工材料時提高切削速度和延長刀具壽命；

液氮冷卻超低溫切削加工技術(shù)發(fā)明人介紹：在低溫切削加工系統(tǒng)中，溫度為-196℃的液氮通過主軸、刀柄和刀體內(nèi)部的管道流動，然后通過在切削刀片中用放電加工方式加工的出口，到達距剪切面不到1mm處。低溫冷卻液對切削時產(chǎn)生的高溫具有超強冷卻能力，可以防止切削熱傳入刀具切削刃。

他補充說主軸內(nèi)采用真空管道來絕熱，刀柄和刀體中的管道則采用了一種導(dǎo)熱率極低的材料。到達切削點時，最初加注的液氮仍有近50%保持液態(tài)。在將切削熱從刀具/工件介面處帶走后，原來的液體變?yōu)闅怏w（其中包含80%的氮氣）散入周圍的空氣中。為了防止局部區(qū)域氮氣濃度過高，使氧氣含量減少，采用了多個感測器監(jiān)測周圍空氣中的氮氣含量，如果發(fā)現(xiàn)環(huán)境空氣品質(zhì)不安全，則會暫時關(guān)閉液氮流。

氮冷卻超低溫切削加工技術(shù)發(fā)明人估計：在低溫切削加工和鏜削時，每個切削刃每分鐘大約要消耗0.04升冷卻劑；而在低溫鉆削和攻絲中，冷卻劑的消耗量要少一些，因為加工時刀具被包圍在工件內(nèi)。

液氮冷卻低溫切削加工與小量潤滑配合

內(nèi)冷卻低溫加工還可以與外部供液的最小量潤滑技術(shù)合并使用，以減小刀具的摩擦與粘附。這是因為低溫加工的目標(biāo)是減小由切削熱引起的刀具磨損，但并不能起到潤滑作用，因此需要借助于潤滑技術(shù)。潤滑可以有效防止因刀具過熱和軟化而造成的磨損加快。

盡管這種低溫切削加工仍然處于開發(fā)過程中，但據(jù)發(fā)明人介紹：應(yīng)用該技術(shù)銑削蠕墨鑄鐵時可使硬質(zhì)合金刀具的切削速度提高60%，使聚晶金剛石刀具的切削速度提高3倍。通過外加潤滑，可使硬質(zhì)合金刀具的切削速度提高到原來的3倍，但PCD刀具的切削速度在已提高3倍的基礎(chǔ)上未見再提高。這些切削試驗重點關(guān)注切削速度的提高，而刀具壽命則保持在與采用常規(guī)冷卻液時相同的水準(zhǔn)上。

液氮冷卻超低溫切削加工技術(shù)發(fā)明人指出：在使用潤滑時，PCD刀具的切削速度沒有進一步提高的原因在于，與硬質(zhì)合金相比，PCD這種超硬材料更不容易磨損，而且能更有效地傳熱。當(dāng)以大約100m/min的切削速度加工有色金屬材料時，切削熱通常會使PCD分解為碳并失效。在低溫加工中，金剛石在更高的切削速度下仍能保持其性能穩(wěn)定。

除了蠕墨鑄鐵以外潤滑還對鈦合金和不銹鋼進行了低溫加工試驗。后在航空制造業(yè)將會有大規(guī)模的資金投入。作為使用越來越多的航空材料，鈦合金不僅切削性不好，而且傳熱性也很差，但我們用低溫技術(shù)加工獲得了非常不錯的結(jié)果。

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