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金屬切削中的噴霧冷卻技術(shù)
基、鎳基等高溫合金和高強(qiáng)度合金鋼等難加工材料的大量應(yīng)用，給切削加工帶來了很大的困難。由于切削時(shí)產(chǎn)生的大量切削熱不能及時(shí)散發(fā)，不僅使切削刀具的耐用度降低，而且難以保證工件的精度和表面粗糙度，嚴(yán)重時(shí)甚至無法切削。因此，降低切削熱對于難加工材料的加工具有重要意義。對于一般材料的切削加工而言,如何提高切削效率、延長刀具壽命也是人們一直努力解決的問題。特別是在重型車削、銑削加工中，如果能使切削效率提高一倍，則相當(dāng)于價(jià)格昂貴的重型機(jī)床增加了一倍，也就是說，在不增加固定資產(chǎn)投資的情況下，使生產(chǎn)能力翻了一番。而刀具壽命的延長，降低了刀具費(fèi)用的消耗，使得生產(chǎn)成本得以降低。
刀具在工作過程中的冷卻與潤滑是解決上述問題的有效手段 在工作過程中，有無冷卻潤滑、冷卻潤滑的方式對刀具耐用度、切削效率及加工精度等的提高有很大影響。近年來，工業(yè)發(fā)達(dá)國家在金屬切削過程中應(yīng)用噴霧冷卻技術(shù)，為切削加工提供了新的冷卻技術(shù)的選擇。
目前，除部分進(jìn)口機(jī)床采用了噴霧冷卻技術(shù)外，國內(nèi)其它機(jī)床上應(yīng)用較少。本文結(jié)合我國國情,對生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行分析并提出了改進(jìn)措施。
1.噴霧冷卻的機(jī)理
切削液在金屬切削中主要起兩個(gè)作用，一是潤滑作用;二是冷卻作用。切削液能否充分發(fā)揮有效的潤滑作用，其滲透能力強(qiáng)弱是一個(gè)重要的因素。常規(guī)的澆注式切削液在切削加工中的滲透以液體滲透和氣體滲透兩種方式進(jìn)行：澆注的液體滲透效率較低，在高速切削時(shí)效率更低;氣體滲透是由于澆注在切屑表面裂紋中的液體隨著切削溫度的上升發(fā)生汽化而向前刀面進(jìn)行滲透的。試驗(yàn)證明，常規(guī)切削液的滲透能力不強(qiáng)，能夠被汽化的液體量很少，使?jié)櫥Ч艿较拗�。而噴霧冷卻形成的兩相流體，能夠彌補(bǔ)切削液滲透能力的不足。氣液兩相流體噴射到切削區(qū)時(shí)，有較高的速度，動(dòng)能較大，因此滲透能力較強(qiáng)。此外，在氣液兩相射流中微量液體的尺寸很小，遇到溫度較高的金屬極易汽化，可從多個(gè)方面向刀具前刀面滲透。雖然射流中的液體量很少，但被汽化的部分則比連續(xù)澆注切削液時(shí)多，因而潤滑效果較好。在金屬加工中切削熱主要來源于金屬的塑性變形，切削區(qū)的冷卻過程就是固體與流體之間的傳熱過程。由于流體與固體分子之間的吸引力和流體粘度作用，在固體表面就有一個(gè)流體滯流層，從而增加了熱阻。滯流層越厚，熱阻越大，而滯流層的厚度主要取決于流體的流動(dòng)性即粘度。粘度小的流體冷卻效果比粘度大的流體冷卻效果好。
汽液兩相流體的動(dòng)力粘度可用下式表示：μ=μf-(μf-μg)x?式中，μf為流體的動(dòng)力粘度，μg為氣體的動(dòng)力粘度，x為質(zhì)量系數(shù)，x=Wf/WfWg(Wf為液相質(zhì)量流量，Wg為氣相質(zhì)量流量)。
顯然，式中μ<μf，即氣液兩相混合流體的粘度μ總小于單相液體的粘度，亦即噴霧冷卻的降溫效果要優(yōu)于單相切削液。氣液兩相流體噴出時(shí)，體積驟然膨脹對外做功，消耗了內(nèi)能，可使溫度降低10℃左右。噴霧冷卻中兩相流體有較高的速度，能夠及時(shí)將鐵屑沖走，并帶走大量的熱量，進(jìn)一步增強(qiáng)了降溫效果。因此，噴霧冷卻實(shí)際上綜合了氣液兩種流體的降溫效果和優(yōu)點(diǎn)。
2.噴霧冷卻裝置的工作原理
噴霧冷卻就是把微量液體混入壓力氣流中，形成霧狀的氣液兩相流體，通過噴霧產(chǎn)生射流，噴射到切削區(qū)，使工件和刀具得到充分冷卻和潤滑。
噴霧冷卻裝置工作時(shí)，壓縮空氣經(jīng)分水濾氣器濾除水分等雜質(zhì)，通過電磁閥后一小部分壓縮空氣進(jìn)入冷卻液箱內(nèi)，將冷卻液壓出到噴嘴;絕大部分壓縮空氣經(jīng)調(diào)壓閥將壓力調(diào)至0.32～0.35MPa后經(jīng)壓縮空氣軟管到噴嘴與冷卻液混合，霧化后噴射到切削區(qū)。
噴霧冷卻技術(shù)的關(guān)鍵在于能否把冷卻液充分霧化。由于冷卻液的壓力略大于壓縮空氣的壓力，二者在氣液混合室內(nèi)混合后，經(jīng)蛇皮管式冷卻管5由噴嘴頭噴出。反之，若冷卻液的壓力小于壓縮空氣的壓力，則冷卻液將被壓回到冷卻液箱內(nèi)。在一些進(jìn)口機(jī)床的噴霧冷卻裝置中，壓縮空氣是從調(diào)壓閥后進(jìn)入冷卻液箱的，因此噴出冷卻液時(shí)往往有“喘氣”現(xiàn)象。若將壓縮空氣改為從電磁閥后直接進(jìn)入冷卻液箱，就可避免“喘氣”現(xiàn)象。
為了調(diào)節(jié)噴出的冷卻液流量，在噴嘴上安裝了冷卻液流量調(diào)節(jié)閥。一些進(jìn)口機(jī)床所采用的噴霧冷卻裝置，其噴嘴調(diào)節(jié)閥為錐形，使用時(shí)通過調(diào)整錐面配合間隙的大小來調(diào)節(jié)冷卻液流量。由于加工這種結(jié)構(gòu)的噴嘴調(diào)節(jié)閥比較困難,閥桿與閥體錐面的同心度不易保證，從而不能有效地調(diào)節(jié)冷卻液的流量。試驗(yàn)證明,如將錐閥改成平閥、將錐面改成平面，并增加一個(gè)密封圈，則冷卻液的流量可以任意調(diào)節(jié)。
3.冷卻液的選擇
由于從噴嘴噴出的冷卻液成霧狀，其中大部分噴到切削區(qū)，一小部分彌散在空氣中,為了避免環(huán)境污染及對操作者造成傷害，冷卻液的選擇非常重要。油類冷卻液除了會(huì)造成環(huán)境污染外，彌散在空氣中的油霧吸附在操作者身上和衣服上，可能會(huì)危害其健康，因此不宜使用。為了提高防銹、防腐性能，多數(shù)常用的乳化液、水劑冷卻液都含有亞硝酸鈉和三乙醇胺等成份。因亞硝酸鹽是一種對人體有害的物質(zhì)，加上三乙醇胺后其危害性更大，因此不適宜用作噴霧冷卻劑。深圳好富頓公司生產(chǎn)的763切削液，據(jù)介紹不含亞硝酸鈉和三乙醇胺等成份，對人體的危害性非常低，用作噴霧冷卻劑效果很好。
4.噴霧冷卻的應(yīng)用效果
(1)切削區(qū)溫度
采用噴霧冷卻與干切削分別加工40Cr和45鋼(加工40Cr鋼的切削參數(shù)為：ap=2mm，f=0.48mm/r，v=167m/min)。切削區(qū)溫度測試的結(jié)果表明，與干切削相比，采用噴霧冷卻時(shí)切削區(qū)溫度可降低140℃;若加工45鋼(ap=2mm，f=0.3mm/r)，采用噴霧冷卻時(shí)切削區(qū)溫度比干切削時(shí)可降低200℃。
(2)刀具壽命
在立車上粗加工45鋼鑄件，使用的刀片牌號為YT5。當(dāng)切削條件相同時(shí)，采用噴霧冷卻的刀具壽命為1小時(shí)以上，而采用干切削時(shí)的刀具壽命僅為30～40分鐘。
(3)表面粗糙度
在數(shù)控龍門銑床上精銑材料為ZG20CrMo的汽輪機(jī)汽缸中分面，使用的刀片牌號為YT535，切削用量為v=150m/min，vf=40mm/min，ap=0.02～0.04mm。采用干切削時(shí)，加工1m2后刀片磨損，加工表面粗糙度不穩(wěn)定，為Ra2.3～3.4μm;采用噴霧冷卻時(shí)，加工1.5m2后刀片磨損，表面粗糙度穩(wěn)定，達(dá)Ra0.76～0.9μm，超過圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求的Ra=1.6μm。
此外，噴霧冷卻技術(shù)可應(yīng)用于立式車床、臥式車床、轉(zhuǎn)子車床、圍帶車床、落地鏜銑床等不同機(jī)床，加工效率平均提高20%，刀具壽命提高一倍以上，加工精度也有顯著提高。如在轉(zhuǎn)子車床上精車轉(zhuǎn)子軸頸，采用干切削時(shí)一刀車不下來，圓柱度不易保證，而采用噴霧冷卻時(shí),一刀即可車完，而且圓柱度滿足設(shè)計(jì)要求。
5.結(jié)語
由于噴霧冷卻具有良好的冷卻和潤滑效果,在切削加工過程中應(yīng)用噴霧冷卻技術(shù)可顯著提高切削加工生產(chǎn)效率和零部件加工質(zhì)量。
(1)由于兩相射流對切削區(qū)有清理作用，減少了氧化皮、細(xì)鐵屑等對刀具的磨損，可提高刀具的耐用度;噴霧冷卻裝置體積小，安裝操作方便;冷卻液耗量少，工作環(huán)境清潔，有利于保護(hù)操作者的身體健康。
(2)噴霧冷卻技術(shù)特別適合用于高速切削、緩進(jìn)給磨削、強(qiáng)力磨削等發(fā)熱量大的加工場合以及加工精度要求高的高強(qiáng)度、高硬度合金鋼材料。
(3)噴霧冷卻裝置用于數(shù)控機(jī)床，可實(shí)現(xiàn)冷卻自動(dòng)化;如在普通機(jī)床上應(yīng)用，通過簡化結(jié)構(gòu)，以手動(dòng)氣路開關(guān)代替分水濾氣器和電磁閥，可在實(shí)現(xiàn)噴霧冷卻的同時(shí)降低成本。