喷雾冷却技术及其应用

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    钛基、镍基等高温合金和高强度合金钢等难加工材料的大量应用，给切削加工带来了很大的困难。由于切削时产生的大量切削热不能及时散发，不仅使切削刀具的耐用度降低，而且难以保证工件的精度和表面粗糙度，严重时甚至无法切削。因此，降低切削热对于难加工材料的加工具有重要意义。对于一般材料的切削加工而言,如何提高切削效率、延长刀具寿命也是人们一直努力解决的问题。特别是在重型车削、铣削加工中，如果能使切削效率提高一倍，则相当于价格昂贵的重型机床增加了一倍，也就是说，在不增加固定资产投资的情况下，使生产能力翻了一番。而刀具寿命的延长，降低了刀具费用的消耗，使得生产成本得以降低。 
    刀具在工作过程中的冷却与润滑是解决上述问题的有效手段在工作过程中，有无冷却润滑、冷却润滑的方式对刀具耐用度、切削效率及加工精度等的提高有很大影响。近年来，工业发达国家在金属切削过程中应用喷雾冷却技术，为切削加工提供了新的冷却技术的选择。 
    目前，除部分进口机床采用了喷雾冷却技术外，国内其它机床上应用较少。本文结合我国国情,对生产实践中应用该项技术进行分析并提出了改进措施。 
    一 喷雾冷却的机理
    切削液在金属切削中主要起两个作用，一是润滑作用；二是冷却作用。切削液能否充分发挥有效的润滑作用，其渗透能力强弱是一个重要的因素。常规的浇注式切削液在切削加工中的渗透以液体渗透和气体渗透两种方式进行：浇注的液体渗透效率较低，在高速切削时效率更低；气体渗透是由于浇注在切屑表面裂纹中的液体随着切削温度的上升发生汽化而向前刀面进行渗透的。试验证明，常规切削液的渗透能力不强，能够被汽化的液体量很少，使润滑效果受到限制。而喷雾冷却形成的两相流体，能够弥补切削液渗透能力的不足。气液两相流体喷射到切削区时，有较高的速度，动能较大，因此渗透能力较强。此外，在气液两相射流中微量液体的尺寸很小，遇到温度较高的金属极易汽化，可从多个方面向刀具前刀面渗透。虽然射流中的液体量很少，但被汽化的部分则比连续浇注切削液时多，因而润滑效果较好。在金属加工中切削热主要来源于金属的塑性变形，切削区的冷却过程就是固体与流体之间的传热过程。由于流体与固体分子之间的吸引力和流体粘度作用，在固体表面就有一个流体滞流层，从而增加了热阻。滞流层越厚，热阻越大，而滞流层的厚度主要取决于流体的流动性即粘度。粘度小的流体冷却效果比粘度大的流体冷却效果好。 
    汽液两相流体的动力粘度可用下式表示：μ=μf－(μf－μg)x式中，μf为流体的动力粘度，μg为气体的动力粘度，x为质量系数，x＝Wf/WfWg(Wf为液相质量流量，Wg为气相质量流量)。显然，式中μ<μf，即气液两相混合流体的粘度μ总小于单相液体的粘度，亦即喷雾冷却的降温效果要优于单相切削液。气液两相流体喷出时，体积骤然膨胀对外做功，消耗了内能，可使温度降低10℃左右。喷雾冷却中两相流体有较高的速度，能够及时将铁屑冲走，并带走大量的热量，进一步增强了降温效果。因此，喷雾冷却实际上综合了气液两种流体的降温效果和优点。 
    二 喷雾冷却装置的工作原理
    喷雾冷却就是把微量液体混入压力气流中，形成雾状的气液两相流体，通过喷雾产生射流，喷射到切削区，使工件和刀具得到充分冷却和润滑。 
    喷雾冷却装置工作时，压缩空气经分水滤气器滤除水分等杂质，通过电磁阀后一小部分压缩空气进入冷却液箱内，将冷却液压出到喷嘴；绝大部分压缩空气经调压阀将压力调至0.32～0.35MPa后经压缩空气软管到喷嘴与冷却液混合，雾化后喷射到切削区。 
    喷雾冷却技术的关键在于能否把冷却液充分雾化。由于冷却液的压力略大于压缩空气的压力，二者在气液混合室内混合后，经蛇皮管式冷却管5由喷嘴头喷出。反之，若冷却液的压力小于压缩空气的压力，则冷却液将被压回到冷却液箱内。在一些进口机床的喷雾冷却装置中，压缩空气是从调压阀后进入冷却液箱的，因此喷出冷却液时往往有“喘气”现象。若将压缩空气改为从电磁阀后直接进入冷却液箱，就可避免“喘气”现象。 
    为了调节喷出的冷却液流量，在喷嘴上安装了冷却液流量调节阀。一些进口机床所采用的喷雾冷却装置，其喷嘴调节阀为锥形，使用时通过调整锥面配合间隙的大小来调节冷却液流量。由于加工这种结构的喷嘴调节阀比较困难,阀杆与阀体锥面的同心度不易保证，从而不能有效地调节冷却液的流量。试验证明,如将锥阀改成平阀、将锥面改成平面，并增加一个密封圈，则冷却液的流量可以任意调节。 
    三 冷却液的选择
    由于从喷嘴喷出的冷却液成雾状，其中大部分喷到切削区，一小部分弥散在空气中,为了避免环境污染及对操作者造成伤害，冷却液的选择非常重要。油类冷却液除了会造成环境污染外，弥散在空气中的油雾吸附在操作者身上和衣服上，可能会危害其健康，因此不宜使用。为了提高防锈、防腐性能，多数常用的乳化液、水剂冷却液都含有亚硝酸钠和三乙醇胺等成份。因亚硝酸盐是一种对人体有害的物质，加上三乙醇胺后其危害性更大，因此不适宜用作喷雾冷却剂。深圳好富顿公司生产的763切削液，据介绍不含亚硝酸钠和三乙醇胺等成份，对人体的危害性非常低，用作喷雾冷却剂效果很好。 
    四 喷雾冷却的应用效果
    1. 切削区温度 
    采用喷雾冷却与干切削分别加工40Cr和45钢(加工40Cr钢的切削参数为：ap＝2mm，f＝0.48mm/r，v＝167m/min)。切削区温度测试的结果表明，与干切削相比，采用喷雾冷却时切削区温度可降低140℃；若加工45钢(ap＝2mm，f＝0.3mm/r)，采用喷雾冷却时切削区温度比干切削时可降低200℃。 
    2. 刀具寿命 
    在立车上粗加工45钢铸件，使用的刀片牌号为YT5。当切削条件相同时，采用喷雾冷却的刀具寿命为1小时以上，而采用干切削时的刀具寿命仅为30～40分钟。 
    3. 表面粗糙度 
    在数控龙门铣床上精铣材料为ZG20CrMo的汽轮机汽缸中分面，使用的刀片牌号为YT535，切削用量为v＝150m/min，vf＝40mm/min，ap=0.02～0.04mm。采用干切削时，加工1m2后刀片磨损，加工表面粗糙度不稳定，为Ra2.3～3.4μm；采用喷雾冷却时，加工1.5m2后刀片磨损，表面粗糙度稳定，达Ra0.76～0.9μm，超过图纸设计要求的Ra=1.6μm。
    此外，喷雾冷却技术可应用于立式车床、卧式车床、转子车床、围带车床、落地镗铣床等不同机床，加工效率平均提高20%，刀具寿命提高一倍以上，加工精度也有显著提高。如在转子车床上精车转子轴颈，采用干切削时一刀车不下来，圆柱度不易保证，而采用喷雾冷却时,一刀即可车完，而且圆柱度满足设计要求。 
    五 结语
    由于喷雾冷却具有良好的冷却和润滑效果,在切削加工过程中应用喷雾冷却技术可显著提高切削加工生产效率和零部件加工质量。 
    1. 由于两相射流对切削区有清理作用，减少了氧化皮、细铁屑等对刀具的磨损，可提高刀具的耐用度；喷雾冷却装置体积小，安装操作方便；冷却液耗量少，工作环境清洁，有利于保护操作者的身体健康。 
    2. 喷雾冷却技术特别适合用于高速切削、缓进给磨削、强力磨削等发热量大的加工场合以及加工精度要求高的高强度、高硬度合金钢材料。 
    3. 喷雾冷却装置用于数控机床，可实现冷却自动化；如在普通机床上应用，通过简化结构，以手动气路开关代替分水滤气器和电磁阀，可在实现喷雾冷却的同时降低成本。 ! e$ M( T2 x$ W