引言

　　切削液在金屬切削加工過程中起著冷卻亭郑、潤滑缰趋、排屑和防銹的作用总放，有助于提高刀具耐用度，減少工件熱變形谷浅，保證工件已加工表面質(zhì)量等睡谒。但切削液的大量使用造成了很多負(fù)面影響，增加成本尾丑，污染環(huán)境榆墅，危害人體健康等。21 世紀(jì)綠色切削技術(shù)的出現(xiàn)，如干式榨未、液氮冷卻悄慨、噴霧冷卻、風(fēng)冷收谭、微量潤滑切削(MQL)等车管，在改善加工性能的基礎(chǔ)上同時改善了加工環(huán)境，得到了發(fā)展與應(yīng)用旧败。實施綠色切削加工技術(shù)既是可持續(xù)發(fā)展的需要还桶，又是經(jīng)濟(jì)性的必然需求。

　　高速切削是高性能加工的一種主要工藝技術(shù)暮孕，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空苛瞬、模具、汽車等行業(yè)十偶。但常規(guī)加大切削液流量菩鲜、降低切削溫升的辦法已不能達(dá)到理想的效果。為了實現(xiàn)高速切削必須采用有效的冷卻潤滑條件惦积，才能進(jìn)一步提高加工效率接校。MQL切削技術(shù)在綠色切削的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了高速切削，因此得到了廣泛應(yīng)用狮崩。而低溫MQL技術(shù)由于它更為顯著的冷卻潤滑作用蛛勉，大大改善了加工性能，也得到了更多的研究與探索睦柴。

　　1 低溫MQL的冷卻潤滑技術(shù)

　　微量潤滑(MQL)技術(shù)主要是將壓縮空氣與少量潤滑油混合后诽凌，霧化后形成微米級的液滴，噴射到加工區(qū)爱只，對刀具和工件之間的加工區(qū)進(jìn)行潤滑皿淋。MQL使用極少量的潤滑油招刹，可達(dá)到良好的冷卻潤滑效果恬试，有效減小刀具與工件、刀具與切屑之間的摩擦疯暑，降低切削力牧稳、切削溫度，延長刀具壽命盅格，提高加工表面質(zhì)量闰袒。這種切削方式極大的減少了切削液的用量，通常用量僅為0.03～0.2L/h鞭碳，而常規(guī)傳統(tǒng)濕切削時的切削液用量高達(dá)20～100L/min悴觅。因此大大較小了環(huán)境污染，在二十一世紀(jì)以綠色環(huán)保為主題的影響下有著很大前景。

　　由于常規(guī)的MQL技術(shù)在高速切削難加工材料時轰蜗，切削區(qū)溫度過高會使刀具表面的潤滑膜失去潤滑效果删摸，采用有效的降溫手段可進(jìn)一步提高M(jìn)QL的效果。通過降低壓縮空氣的溫度自葡，一方面可以提高切削區(qū)換熱的強(qiáng)度攀誓，改善換熱效果;另一方面，換熱效果的提高又可以使?jié)櫥旱卧诘毒弑砻嫘纬傻臐櫥みM(jìn)一步保持潤滑能力恤仁，從而提高刀具的耐用度坏榜。

　　由于低溫MQL技術(shù)需要增加一個低溫冷風(fēng)裝置，從而在一定程度上增加了成本隆檀。目前摇天，國外已有數(shù)家公司(三菱、日立等)生產(chǎn)專門面向切削刚操、磨削加工用的低溫冷風(fēng)發(fā)生裝置闸翅，但其價格較高;國內(nèi)的一些科研機(jī)構(gòu)(如江蘇科技大學(xué)、重慶大學(xué)等)也進(jìn)行了冷風(fēng)發(fā)生裝置的研究和開發(fā)菊霜，并取得了一定成果坚冀。本課題組在研究各種制冷技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用以半導(dǎo)體制冷為核心鉴逞、結(jié)合蒸氣壓縮制冷的復(fù)合制冷方法研制了一種切削用冷風(fēng)發(fā)生裝置记某，該裝置可以獲得-30℃的低溫冷風(fēng)，成本較低构捡，且具有制冷速度快液南、易于實現(xiàn)冷風(fēng)溫度的連續(xù)調(diào)節(jié)、可靠性高等優(yōu)點勾徽，具有廣泛應(yīng)用前景滑凉。

　　2 低溫冷風(fēng)發(fā)生裝置

　　冷源的選擇

　　冷源是冷風(fēng)發(fā)生裝置的核心，目前用于冷風(fēng)發(fā)生裝置的冷源主要有以下幾種形式：使用低沸點介質(zhì)的間接冷卻斗黍、渦流管直接制冷二娄、空氣絕熱膨脹直接制冷、蒸氣壓縮式間接制冷和半導(dǎo)體制冷掷佑。它們各有優(yōu)缺點苇恤，其中蒸氣壓縮式間接制冷是冷風(fēng)發(fā)生裝置研制和開發(fā)中常用的冷源，但蒸氣壓縮制冷方式的冷風(fēng)發(fā)生裝置制冷時間慢霹壁，且難以連續(xù)調(diào)節(jié)冷風(fēng)溫度供窝，特別在需獲得更低溫度的冷風(fēng)時，需采用多級蒸氣壓縮式制冷剿稼，增加了裝置的復(fù)雜程度百涕，增加了維護(hù)的難度率满。半導(dǎo)體制冷是熱電效應(yīng)主要是帕爾帖效應(yīng)在制冷技術(shù)方面的應(yīng)用。帕爾帖效應(yīng)(PeltierEffect)指電流流過兩種不同導(dǎo)電材料構(gòu)成的回路時斩角，結(jié)點上將產(chǎn)生吸熱或放熱現(xiàn)象痰拢。半導(dǎo)體制冷結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉贯卦、可靠性高资柔，調(diào)節(jié)、控制和維修方便;操作具有可逆性撵割，既可以制冷又可以制熱贿堰。由于半導(dǎo)體制冷的上述特點，其應(yīng)用越來越廣泛啡彬。

　　為提高冷風(fēng)發(fā)生裝置的制冷速度和連續(xù)調(diào)節(jié)冷風(fēng)溫度的能力羹与，在分析各種制冷方法特點的基礎(chǔ)上提出采用以半導(dǎo)體制冷為核心蒸氣壓縮式間接制冷輔助的組合制冷來研制冷風(fēng)發(fā)生裝置。組合制冷是將單級循環(huán)壓縮制冷系統(tǒng)與半導(dǎo)體制冷器復(fù)疊在一起庶灿，循環(huán)壓縮制冷作為第一個制冷級纵搁，進(jìn)一步冷卻由熱電制冷器實現(xiàn)。此時往踢，半導(dǎo)體制冷器熱端的散熱量腾誉，被循環(huán)壓縮制冷系統(tǒng)中的蒸發(fā)器產(chǎn)生的冷量抵消，達(dá)到降低半導(dǎo)體熱端溫度的目的峻呕±埃可見，組合制冷具有制冷溫差大瘦癌，制冷系數(shù)高撼盈、冷端溫度低、制造容易填丢、控制方便节讹，易于實現(xiàn)有效制冷等特點。

　　冷風(fēng)發(fā)生裝置的構(gòu)成及設(shè)計

　低溫冷風(fēng)發(fā)生裝置的結(jié)構(gòu)敞灸。該裝置由壓縮機(jī)漾肩、過濾器、氣體干燥器菱区、熱交換器顿墨、水箱服讯、蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)绎瓣、水泵、直流電源授灵、半導(dǎo)體制冷器堵忌、流量計扇述、壓力表和噴嘴等部分組成，其中蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)和半導(dǎo)體制冷器是新型切削用冷風(fēng)發(fā)生裝置研制中的兩個關(guān)鍵部分杯道。

　　蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)

　　采用強(qiáng)化傳熱降低熱端表面環(huán)境溫度匪煌，既可以提高冷量的傳遞速率，也相應(yīng)縮小了冷熱端的溫差党巾，有利于提高半導(dǎo)體元件的產(chǎn)冷量和制冷效率萎庭，以便獲得更低溫度的冷風(fēng)。半導(dǎo)體制冷器的散熱方式有空氣自然對流散熱齿拂、強(qiáng)迫通風(fēng)散熱驳规、水冷散熱、環(huán)流散熱和利用物質(zhì)的熔化潛熱散熱5種署海，其中水冷散熱的效率最高吗购。為此，通過設(shè)計蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)來降低水溫砸狞，并控制冷水的溫度捻勉，進(jìn)而獲得穩(wěn)定的冷風(fēng)溫度。蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)主要由壓縮機(jī)刀森、冷凝器踱启、膨脹閥和蒸發(fā)器四部分組成。

　　半導(dǎo)體制冷器

　　半導(dǎo)體制冷器由串聯(lián)的半導(dǎo)體熱電堆研底、散熱器挽后、冷卻器、導(dǎo)線等構(gòu)成鸠头。直流電源通過導(dǎo)線對半導(dǎo)體熱電堆供電镇盛，通電后一端吸熱將冷卻器中的壓縮空氣制冷，另一端散熱诱价。散熱器將吸收的熱量通過冷水帶走卜锡，進(jìn)而保持熱端溫度恒定。通過良好的散熱器以及冷卻器結(jié)構(gòu)設(shè)計對于改善散熱及冷卻效果涧俐，降低半導(dǎo)體熱電堆冷熱端溫差歉赴，提高半導(dǎo)體制冷效率起到十分重要的作用。

　　冷風(fēng)發(fā)生裝置的工作過程

　　冷風(fēng)發(fā)生裝置工作時偶村，首先啟動蒸氣壓縮制冷系統(tǒng)以冷卻水箱中的水柄午，同時利用水泵對水進(jìn)行循環(huán)作用，待水溫達(dá)到一定溫度時娶架，整流電源將低壓直流電供給半導(dǎo)體制冷器爽咒。壓縮氣體經(jīng)過濾、除濕后進(jìn)入熱交換器窿侈，降溫后再進(jìn)入半導(dǎo)體制冷器中炼幔，通過與冷卻器的熱交換秋茫，半導(dǎo)體熱電堆冷端吸收了壓縮氣體的熱量，進(jìn)一步降低壓縮氣體的溫度乃秀。而半導(dǎo)體熱電堆冷端吸收的熱量肛著，經(jīng)熱電制冷效應(yīng)移至其熱端，再由水泵輸送到散熱器中經(jīng)冷水帶走跺讯。降溫后的壓縮氣體以一定的壓力噴射至切削區(qū)枢贿，達(dá)到冷卻切削區(qū)的目的。該裝置可通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體制冷器的工作電流來方便地實現(xiàn)對冷風(fēng)溫度的調(diào)節(jié)刀脏。

　　MQL油霧系統(tǒng)

　　MQL主要由油霧供給系統(tǒng)萨咕、噴嘴和潤滑油三部分構(gòu)成。通過調(diào)節(jié)電磁脈沖和潤滑劑流量控制旋鈕調(diào)節(jié)潤滑油的出油量火本，壓縮氣體在噴嘴處與潤滑油混合形成油霧危队。此外，潤滑油霧中油滴顆粒的大小和聚集度對加工區(qū)刀具和工件接觸表面的潤滑效果有影響钙畔。油滴顆粒的大小和聚集度的影響因素一般包括壓縮空氣的壓力和流量茫陆、潤滑油的用量和性質(zhì)、以及噴嘴的結(jié)構(gòu)和距離等埂荤。通常油滴的粒徑一般控制在2μm以下毛围。因此，選擇合適的潤滑油和噴嘴屁蕾，調(diào)節(jié)壓縮氣體的用量以及潤滑油的用量沸恤，以便獲得較好的油霧顆粒。

　　MQL的供液系統(tǒng)

　　MQL供液系統(tǒng)主要有2種形式：一種是外置式供液系統(tǒng)躺潘，如圖6(a)所示;一種是內(nèi)置式真稚，如圖6(b)所示。內(nèi)置式供液系統(tǒng)集成在機(jī)床內(nèi)部毕亲，潤滑油和壓縮空氣的混合物通過機(jī)床主軸內(nèi)孔和刀具內(nèi)置的輸送管道導(dǎo)入加工區(qū)农帝。該方式對主軸結(jié)構(gòu)提出了新的要求，常常限制主軸的最高轉(zhuǎn)數(shù)项蝉。外置式供液系統(tǒng)是單獨設(shè)計舆飒，潤滑油和壓縮空氣在機(jī)床外部通過混合裝置混合后可由多個噴嘴引出，作用于加工區(qū)的刀具和工件白找。外部式油霧供給中能真，對特定的加工方法(如鉆削、深孔構(gòu)件的銑削等)還存在工藝上的困難扰柠。對于微量切削液的傳輸霧化粉铐，也有2種形式(如圖6所示)：一種是單通道，這種形式需要一個單獨的霧化裝置耻矮，然后把霧化好的液滴和壓縮空氣的混合物秦躯，通過一個通道傳輸?shù)絿娮?另一種為雙通道，不需要單獨的霧化裝置裆装，通過兩個通道踱承，里面小通道為微量切削液，外部大通道為壓縮空氣哨免，在靠近噴嘴處(霧化區(qū))或利用噴嘴進(jìn)行霧化茎活，進(jìn)而噴射到切削區(qū)。與雙通道系統(tǒng)相比琢唾，單通道系統(tǒng)更便于制造载荔，但在輸送潤滑油霧時，特別是在具有強(qiáng)烈離心作用下的旋轉(zhuǎn)主軸中時采桃，油霧會被分散懒熙，這常導(dǎo)致加工區(qū)油霧不均勻，使加工質(zhì)量變差脂壁。

　　MQL的潤滑油

　　為了盡量減小對環(huán)境和人體的影響囤乎，MQL中使用的潤滑油不能采用含有大量有毒添加劑成分的傳統(tǒng)切削液。作為MQL切削用切削液揖帕，其綠色潤滑劑的基礎(chǔ)油有合成酯敢薄、植物性切削油、聚α-烯烴(PAO)和聚乙二醇等挎茂。常采用生物降解性高的合成酯和油脂艇线。雖然植物油也具有很好的生物降解性，但在高的切削溫度下热轨，在工件游鹿、刀具上有樹脂化的趨勢，切削性能也不理想梨耽，因此基本不使用容且。近年來，植物油的性能得到了很大的改善唾诺，也開始用于MQL切削中亮隙。同時，適合低溫MQL用的潤滑油還要考慮潤滑油在低溫時的特性垢夹，如粘度溢吻、傾點等，選擇合適的潤滑油對低溫MQL切削至關(guān)重要果元。

　　4 低溫微量潤滑的切削性能

　　大量研究結(jié)果已證實促王，在對鈦合金、淬硬鋼而晒、高溫合金和不銹鋼等材料的切削加工應(yīng)用中蝇狼，與使用干式切削和濕法切削相比阅畴，MQL表現(xiàn)出了良好的切削性能，有效地提高了刀具耐用度迅耘，改善工件已加工表面質(zhì)量贱枣，而低溫MQL的效果更加明顯。如果將MQL與氮氣結(jié)合使用颤专，MQL能表現(xiàn)更好的切削性能纽哥，這主要是由于氮氣的隔氧作用。圖9是在干銑削衙猾、濕式切削柬激、常溫氮氣油霧、低溫氮氣射流及低溫氮氣微量潤滑等冷卻潤滑條件下硬質(zhì)合金刀具高速銑削鈦合金Ti-6Al-4V時刀具壽命對比斧与。

　　5 結(jié)束語

　　微量潤滑技術(shù)是一種有效的綠色制造技術(shù)行忘，低溫微量潤滑技術(shù)作為一種方便應(yīng)用加工現(xiàn)場的新型冷卻潤滑技術(shù)，在鈦合金筋劣、高溫合金以及高硬度材料等難加工材料的高速加工中具有優(yōu)異的性能鞋会，可以在目前加工工藝基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高難加工材料的加工效率和加工質(zhì)量。作為21世紀(jì)綠色制造業(yè)的重要組成部分贿册，具有很好的發(fā)展前景填杀。

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