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切削加工冷卻方法的現(xiàn)狀與發(fā)展

1 金屬切削液的作用與發(fā)展

金屬切削液作為機械加工重要的配套材料窗怒，它在機械加工中主要起冷卻动娄、潤滑、清洗和防銹四個作用芭惠。在過去以及今后相當長的一段時期內(nèi)，金屬切削液在金屬切削加工中的使用仍是金屬切削加工中主要的冷卻方法甩腻。
金屬切削液的歷史始于18世紀后期弦离，當時金屬切削以很低的速度進行。1883年昭仲，美國人F.M. Taylor發(fā)現(xiàn)將水澆注到切削區(qū)棵章，可以提高切削速度、排除切屑枚冗。隨著人們對金屬切削加工質(zhì)量的要求不斷提高缓溅，人們又采用動植物油作為切削液。它能在金屬表面形成比較牢固的吸附膜赁温，降低工件表面粗糙度坛怪。但它易氧化變質(zhì)，使用期限短股囊。人們逐漸在實踐中試著將脂肪油跟礦物油摻合而形成一種混合油袜匿。后來，含硫稚疹、氯居灯、磷等有機化合物和其他添加劑的非活性極壓油和活性極壓油應運而生。它們與金屬起化學反應内狗，形成高熔點怪嫌、低剪切強度的固體潤滑膜，提高了切削液在高溫柳沙、高壓下降低摩擦和抗燒結(jié)的能力岩灭。隨著切削速度和切削溫度的不斷提高，油基切削液不能完全滿足切削要求赂鲤，這時人們又開始重視水冷卻的優(yōu)點判逊，把油的潤滑性能與水的冷卻性能結(jié)合起來，促使了乳化液的應用∫浇疲現(xiàn)在又發(fā)展了合成和半合成切削液(即乳化液)，且分別形成了系列產(chǎn)品替熊。近年來肿车，人們又致力于低污染切削液的研制與開發(fā)，以減少切削廢液對環(huán)境的危害掘顾。應該指出的是到讽，任何一種切削液配方，或多或少幾乎都對環(huán)境有害累踱。即使對使用后的廢液采取處理保媒，也仍然存在一定含量對環(huán)境有害的物質(zhì)苏狠。
關(guān)于切削液的種類和選用方法，已有大量的資料和文獻供參考辟昏，在此不再贅述钻宠。

(a)普通澆注法
(a)后刀面澆注法
圖1 幾種刀具注液方式

2 傳統(tǒng)冷卻方式的作用與缺陷

  1. 切削液加注方向?qū)鋮s效果的影響
    切削液的加注方向主要影響切削液能否充分地滲透到切削區(qū)。實際生產(chǎn)中获列，操作者一般多向刀具前刀面加注(見圖1(a )所示)谷市，這樣有利于減小切削阻力，但切削液有時難以到達前刀面激烈摩擦的部位击孩，因此產(chǎn)生了從后刀面加注的方法(見圖1(b)所示)迫悠，這樣，隨著刀具前進造成的低壓巩梢，切削液易于進入切削的接觸部位创泄。實驗證明這樣可延長刀具50%甚至2倍的壽命。對于平面磨削括蝠，在生產(chǎn)實踐中一些操作者常常忽略磨削液澆注方向的作用鞠抑，將磨削液的噴嘴設(shè)置成圖2所示位置。由于砂輪高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生巨大的氣流阻礙了磨削液進入磨削區(qū)又跛，從而導致磨削過程的“事后”冷卻碍拆，即此時磨削液僅對工件整體溫度的降低起作用，而對處于磨削區(qū)的工件溫度幾乎不起任何冷卻作用慨蓝。
  2. 切削液加注方式及其冷卻效果
    切削液的加注方式也稱供液法感混，按照加注原理主要有以下幾種：
    1. 普通澆注法 這種供液方法主要由泵、管路系統(tǒng)缩髓、噴嘴組成憨箍。切削液由泵送出經(jīng)噴嘴以一定的流速、流量澆到切削(磨削)區(qū)学释，在切屑容器內(nèi)被分離后遇娜，又回到供液箱。該方法裝置簡單粱思，在生產(chǎn)中應用最為廣泛区呕。美國的J . A . Webster對噴嘴的形狀、位置等作了較深入的研究槐芹，從流體力學的高度上探討了噴嘴形狀對流速的影響海拾，并得到了很多有益的結(jié)論。

      圖2 平面磨削的“事后”冷卻

      圖3 刀具加壓內(nèi)冷卻方法

      圖4 一種典型的砂輪內(nèi)冷卻裝置示意圖
    2. 刀具加壓內(nèi)冷卻法 其基本原理是在刀具上鉆兩個交叉孔填阅，使切削液在壓力作用下眉脖，在刀體內(nèi)部循環(huán)而冷卻的方法，如圖3所示茶壹。加壓內(nèi)冷卻法由于切削液的高速流動头趴，改善了滲透性揍庄，使之易于達到切削區(qū)，同時因?qū)α鞯募訌娨诧@著地改善了冷卻效果东抹。
    3. 砂輪內(nèi)冷卻法 砂輪內(nèi)冷卻的原理(見圖4 )是將切削液引入砂輪架法蘭與砂輪間的空隙蚂子，使之在隨砂輪旋轉(zhuǎn)所造成的離心力的作用下通過砂輪內(nèi)部的氣孔直接到達磨削弧區(qū)，起到冷卻府阀、潤滑的作用缆镣。該方法冷卻效果顯著，但其缺點也顯而易見：它要求砂輪必須有足夠的孔隙试浙，以利于傳遞切削液董瞻。它要求切削液必須經(jīng)過很好的過濾，以防阻塞了砂輪的孔隙田巴。它推廣的最大障礙在于：磨床停機時钠糊，砂輪內(nèi)的磨削液在重力的作用下會聚集到砂輪靠近地面的一側(cè)，當重新啟動時壹哺，砂輪將因磨削液分布不均而產(chǎn)生很大的偏心振動抄伍。這種振動對砂輪及機床的損害是很大的。
    4. 手工供液法 用油壺管宵、筆截珍、毛刷等供液，以達到冷卻宇涵、潤滑的目的惰疯。該方法常見于沒有供液裝置而需要冷卻潤滑的生產(chǎn)現(xiàn)場。如臺鉆等突仆。
    綜上蔫横，在切削加工中應根據(jù)具體情況選用合適的切削液加注方法。隨著生產(chǎn)的發(fā)展穆垦，也必將有新的供液法出現(xiàn)刊濒。
  3. 目前切削液使用存在的幾個負面問題
    切削液由于其重要的作用，在機械加工中得到了廣泛地應用辱郑。特別是近年來埃的，一些先進制造工藝如超高速切削的出現(xiàn)，它的使用量更是成倍地增長糟糊。與此同時愕匪，它的使用也帶來如下越來越多的負面問題。
    1. 增加了制造成本 據(jù)德國的許多公司的統(tǒng)計資料表明额前，使用切削液的費用占總制造成本的7%～17% ，而刀具消耗的費用僅占制造成本的2%～4%牵敷。美國Baylers刀具涂層公司也作了這方面的統(tǒng)計胡岔，結(jié)果是切削液的消耗是刀具費用的3～4倍法希。
    2. 引起了環(huán)境問題 在使用切削液較多的工序中，切削液會污染工作環(huán)境靶瘸，工作區(qū)常常彌漫著較大的異味苫亦。切削液是機械加工中造成環(huán)境污染的重要根源。例如未處理的乳化液通常其含油量高達20000mg/L 怨咪，化學耗氧量(COD)高達9300mg/L屋剑，生物耗氧量(BOD)達9300mg/L。此外還含有大量的亞硝酸鈉诗眨、三乙醇胺等緩蝕劑和表面活性劑唉匾。在我國，僅機械工業(yè)廢乳化液的日排放量據(jù)不完全統(tǒng)計已近億噸匠楚，可見其問題的嚴重性巍膘。
    3. 損害了工人健康 在切削過程中，切削液與人體直接接觸芋簿，會誘發(fā)多種皮膚病甚至癌癥修鲤，威脅或損害著工人的健康。

3 基于環(huán)保的“綠色”冷卻方法的探索發(fā)展

切削過程的研究表明：切削液傳統(tǒng)的冷卻扎瞧、潤滑乓记、排屑等作用在加工過程中并未得到充分有效地發(fā)揮，因此人們試圖不用或少用切削液草颤，以適應降低成本锌筝，減少環(huán)境污染的要求。這就是方興未艾的少無切削液技術(shù)旅峰，其中以近來興起的干切削(Dry Machining)技術(shù)最為引人注目滞逼。干切削的科學意義在1995年被正式確立。它是指在機械加工中念距，為保護環(huán)境和降低成本而有意識地減少或完全停止切削液的使用泄肆。切削力大、切削溫度高是干切削的特點董容，刀具能否克服這些不利影響鹤协，是干切削順利實施的關(guān)鍵所在。在過程中衍震，還會出現(xiàn)許多濕切削中沒有出現(xiàn)過的問題味滞，機床設(shè)計時應予充分考慮。雖然干切削還有許多技術(shù)難題有待進一步解決钮呀，但它是一種很有前途的加工方法剑鞍。
目前干切削的應用范圍比較有限，而完全的濕切削又有諸多不足爽醋，若兩者結(jié)合蚁署，既可滿足加工要求便脊，又可使與切削液有關(guān)的費用降到最低，介于干切削與濕切削之間光戈，這就是準干切削技術(shù)哪痰。由于它使用的切削液的量為最少(minimum quantity lubrication，或MQL)久妆，因而切削液供給系統(tǒng)簡單晌杰、體積小，容易布局筷弦。如美國Thyessn公司將潤滑系統(tǒng)集成在主軸電機中肋演，其流量由CNC 程序控制，該單元在6.5s時間內(nèi)可鉆削10個8mm戏喊、中心距為20mm的孔炒圈，每一小時僅用一杯潤滑油，且大部分被蒸發(fā)躺沽，切屑中切削液含量大大減少蚕顷。因此，處理費用大幅下降满盔。準干切削技術(shù)的一個重要的問題是最少的切削液量是多少峰辣，目前正在深入探討之中。
在日本嗡吸，豐田公司最近開發(fā)出一種不用切削液的磨削技術(shù)拓坠，并應用在自制的CNC外圓磨床外，積累了實際應用經(jīng)驗哩拒。該技術(shù)是以-30 ℃ 的冷空氣代替?zhèn)鹘y(tǒng)的切削液進行冷卻赎遗。低溫氣體冷卻技術(shù)是一種非常有前途的新技術(shù)，據(jù)資料表明：低溫氣體冷卻可以理想地消除金相變化曾谁，并能改善工件的表面完整性峰孝。它能減少切削液的相關(guān)費用、回收切屑和改善作業(yè)環(huán)境莱衩。為增加潤滑效果爵嗅，還在噴頭處供給了少量潤滑油。該技術(shù)是在世界環(huán)境意識提高的背景下開發(fā)的笨蚁，無疑將成為今后產(chǎn)品開發(fā)的新潮流睹晒。
綜上所述，探索新型高效且對環(huán)境污染小乃至無污染的冷卻方法已成為制造業(yè)函待解決的難題括细。顯然僅從切削液的角度去考慮問題顯然是不夠的伪很，必須從可持續(xù)發(fā)展的高度去認識。我國政府對環(huán)境問題十分重視，制訂了各種法規(guī)保護環(huán)境锉试，并提出了可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略虑鼎。對制造業(yè)而言，可持續(xù)發(fā)展的實質(zhì)就是如何最大限度地利用資源和最低限度地產(chǎn)生廢棄物键痛。如上所述，切削液的負面問題顯然是和可持續(xù)發(fā)展思想格格不入的匾七，因而制造業(yè)面臨的環(huán)保壓力越來越大絮短。新的環(huán)保型“綠色”制造工藝的研究勢在必行，新的冷卻方法的探索日趨重要污涤。


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