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高速低温加工及其应用
摘要 从高温低速加工材料的切削加工性入手，论述高速低温加工的优势、经济效益及分类，同时介绍高速低温加工刀具材料，切削用量的选择。
关键词：高速低温切削 切削加工性 经济效益 难加工材料
Abstract From high speed processing materials with high speed, the low temperature processing advantages, economic benefits and classification, and introduced the high low temperature processing cutting tool material, cutting the amount of choice.
Key words：High speed low temperature cutting, Machining features, Economic benefits Hard-to-cut materials

一、 前言
金属切削加工是通过刀具和工件的相对运动来完成材料的移除。切削时会产生大量热。使刀具、工件甚至机床的温度升高。为了减少刀具磨损、降低加工部位的温升，通常使用大量的切削液。但是，使用切削液作为冷却润滑剂会造成很多问题。诸如环境问题，成本问题。
尤其以一些难加工材料，如不锈钢、钛合金、淬硬钢、高锰钢等，由于它们的物理、力学化学方面的综合影响，切削加工性差。主要表现为刀具磨损快且易破损、刀具的耐用度低，加工硬化严重，加工表面质量难以保证，切削速度低、切削效率低，切削温度高。针对以上在加工难加工材料中存在的问题以及随着低温技术及低温设备的发展，使低温加工对改善难加工材料的切削加工性成为可能。试验证明，低温加工可以降低切削温度，减少切削力，减少刀具的磨损从而提高刀具的耐用度。解决面临的诸多问题。

二、 高速低温加工的定义及原理
高速低温是将工件冷却并进行切削加工的一种切削加工方式。高速低温是利用超低温液流体在工件内或在刀具内形成局部的低温（或超低温）状态，从而利用在这种状态下的工件和刀具的机械性能的改变，有利于机械加工。难加工材料在于加工时，切削力比较大、切削温度高并且热量不易散失从而导致刀具和工件的温度升高，加剧刀具的磨损及难以控制加工精度和表面质量。为改善难加工材料的切削加工性，需降低切削温度，可以对加工材料面实行强冷处理，一方面可以降低切削区的温度，使工件的脆性增加，减少工件切削的塑性
变形；另一方面会在加工表层形成一个以冷缩为主要特征的预应力场，与切削过程中力和热所形成的应力场实现非线性叠加，从而抑制残余应力的产生；同时，当冷却剂采用惰性气体时也可以抑制工件表面污染层的产生。高速低温正是基于这个机理而提出来的。

温加工的步骤为：
1. 根据加工对象和加工刀具的特性设定最佳低温加工温度!opt。
2. 利用冷却剂或其它方法使特定封闭加工区的温度达到!opt。
3. 自动控制低温流体的喷射量，以维持加工区的温度在!opt状态。一方面，当检测的加工区温度偏离!opt，则通过反馈控制器调节喷射流量，另一方面，当加工系统输入功率发生变时，则通过前馈控制器调节流量，以维持最佳低温状态。

高速低温加工示意如图1 所示
。

三、 国内外高速低温加工的研究状况
低温加工的研究最早是Bartie 报道的。在其实验中，液态CO2作为冷却剂喷在切削刀具上，Carbon Dioxide公司发展了这一技术并且称之为“ Ce - De -Cut”技术。
1.低温加工国内外研究状况
在20 世纪50 年代，就对低温进行了研究。1952年Oisonetai 进行了低温仿形铣削实验。1959 年日本益子教授等对低温加工效果在理论上做出明确的解释，同时进行了试验，着重阐述了工件的低温脆性、难加工材料的加工、延长刀具寿命等理论，并通过实验对其理论进行了验证，其后对冷刀技术进行了开发和研现代制造工程!""#（$! ）究，如1959 年1 月采用CO2气冷工件，冷却温度达到10 ~ - 90C，对切削区域进行冷却，其冷却回路是开放式的。1962 年3 月日本的冈木教授采用乙二醇水溶液进行封闭循环式冷却工件，冷却温度达到了- 25 ~-30C。1965 年~ 1966 年间日本的东洋大学上原教授采用CO2和N2开放式冷却回路连续对工件进行冷却，冷却温度达到- 200C。1967 年~ 1968 年间京都大学奥岛教授，采用两种方式对刀具进行冷却，首先采用电子冷却法使刀具温度保持在- 8C下进行切削加工，其后采用CO2和N2
对刀具进行冷却，冷却温度达到- 70 ~ - 190C。1981 年日本山崎制作所研制的供刀具内部冷却的切削实验用的全自动机床，其中就采用了低温刀具系统。1982 年美国采用冷冻和干冰对热塑性材料进行冷冻加工，并且获得了成功。1986 年前苏联也采用冷冻法进行低温加工。20 世纪90 年代美国的LebIong 公司采用以高压气体进行冷却加工工件的技术，刀具上的热量是通过主轴的高压气体带走。20 世纪90 年代日本的藤决工所开发研制KC250H 型干式滚齿机，采用硬质合金刀具，冷风冷却，其加工效率是传统滚齿机的几倍。
2. 国内研究状况
我国研究低温技术始于1973 年，首先推广了“ 电子冷冻切削加工”。这项技术在1980 年开始研究，1981 年预研任务完成，1984 年完成研制工作，并通过了部级鉴定。另外，哈尔滨工业大学对低温也进行了研究，采用液氮冷却工件加工难切削材料，取得了一定的成功。沈阳工业学院对电子冷冻切削加工进行了系统的研究，其采用电子冷源冷却刀具，刀具温度可冷至0 ~ - 60C并研究了冷冻装夹等问题，取得了较好的加工效果。华南理工大学金属切削研究室对深冷技术在切削加工中的应用进行了一系列的研究；胡华南等对局部急冷切削加工进行了研究，对急冷切削过程中切削变形区的温度场进行数值模拟计算并经实验验证，研究结果显示局部急冷切削加工可使工件表面获得残余压应力，或降低残余拉应力，从而改善工件表面质量，对解决或减少关键零部件的非正常失效有重要意义。重庆大学制冷实验室也正在对低温加工进行研究。

四、高速低温切削的优点及效益
1. 由于冷却剂的温度很低，因此使切削区的温度低，从而减少刀具的磨损。
2. 由于切削温度的降低可以适当地提高切削速度，从而提高生产率。
3. 可以提高工件加工表面的抗疲劳强度，减少残余应力。
4. 提高工件的切削加工性。
5. 由于切削时是低温，所以减少了工件的膨胀，加工时不必进行补偿。

五、高速低温加工的技术条件

1. 刀具材料
低温切削对刀具的要求如下
刀具应有良好的热稳定性。
排屑要顺畅、导热系数高。
刀具和切屑的摩擦系数要小。
刀具材料应有好的强度和耐冲击性。
2. 低温切削常用的刀具材料
硬质合金
硬质合金的牌号很多，一般情况下，硬质合金分为YG 类硬质合金和YT 类硬质合金两大类，由于YT 类具有高的硬度，特别是具有高的耐热性，其抗粘结能力和抗氧化能力均较好，故使用中刀具磨损小，耐用度较高。但YT 类硬质合金不适合加工钛合金。YG 类硬质合金具有很高的高温硬度、高温强度和较强的抗氧化能力，特别适于加工各种高合金钢、耐热合金和各种合金铸铁。硬质合金的切削性能较高速钢刀具的耐用度提高几十倍，允许的切削速度可提高4 ~ 16 倍。硬质合金刀具材料中性能比较优越的有两种。其一是超细晶粒硬质合金，可以提高刀具韧性，其材料组成是由超细晶粒WC、TiC 等与粘结剂钴组成，具有普通硬质
合金的优点，又克服了刀具脆性大，易崩刃的缺点，目前已得到应用的此种材料为UTi20 和UTi30。其二是涂层硬质合金，涂层刀具由于其涂层作为一个化学屏障和热屏障，具有很高的硬度和耐热性，能减少刀、屑与刀、件界面的摩擦，起到润滑作用，因此涂层硬质合金刀具明显减少刀具的磨损，提高刀具的耐用度。
特种陶瓷
特种陶瓷刀具有很高的硬度（91 ~ 95HRA），其耐磨性一般为硬质合金的5 倍，同时该刀具具有很高的耐热性和高的化学稳定性。由于陶瓷刀具的特性，陶瓷刀具适于加工冷硬铸铁、淬火钢。陶瓷还具有高的高温硬度和很高的化学稳定性。
立方氮化硼（CBN）
它特别适合加工高温合金、淬火钢等，特别适于高速切削。缺点为价格昂贵、强度较低、抗冲击性能差。
聚晶立方氮化硼（PCBN）
聚晶立方氮化硼常用于淬硬钢车削和端面铣时作刀具材料。它的高硬度和耐热性，使它能承受硬切削时极大的机械、热负荷。好的导热性和低的热膨胀系数对工件尺寸和几何精度有一定的影响，所以PCBN更适合用作干切削式的刀具材料。陶瓷和PCBN 之间的最大差别是断裂韧性值，与陶瓷相对比，PCBN 在断续切削时是有利的。
3. 刀具几何参数的选择
合理地选择刀具几何参数可以使刀具潜在的切削能力得到充分的发挥，从而提高刀具的耐用度；或是在保持耐用度不变的情况下提高切削用量，提高生产率。刀具几何参数的合理选择不仅直接影响切削力的大小和方向，还对切屑的卷曲形状和流出方向起着重大的作用。刀具几何参数主要包括刀具角度、刃口半径和刀尖圆弧半径。刀具角度主要有前角!o、后角"o、主偏角Kr和刃倾角#s。!o和Kr主要影响切削变形和刀刃强度，"o主要影响加工时的摩擦和刀刃强度，#s主要影响切屑流向和刀刃强度。低温加工时，由于某些材料在低温时塑性减小，脆
性增大，加工硬化现象减少，所以前角的选择相对常规切削有所增大。由于切削温度有所降低，所以在刀具耐用度不变的情况下，切削速度有所提高。

六、一些高速低温加工应用的介绍
1. 高速干式切削工艺
高速干式切削就是在无冷却液、润滑油的条件下，采用很高的切削速度进行切削加工。因此，干式高速切削需要在一定的切削条件下进行。首先是选用很高的切削速度，尽量缩短刀具与工件的接触时间，再用压缩空气或其它方法移去切屑，以控制工作区域因切屑堆积而造成的温升。随着机床制造技术的发展，提高机床的切削速度并非难事；当切削参数设置正确时，80%的切削热量将被切屑带走，使切削点的温升降低。
高速干式切削法对刀具有严格的要求，适合高速干式切削的刀具必须具有以下特点：
a. 刀具材料应具有优异的耐高温性能，可在无切削液的条件下工作。通常采用新型硬质合金、聚晶陶瓷和CBN材料。
b. 良好的刀具结构设计，使切屑与刀具之间的摩擦系数尽可能小以减少热堆积。最有效的方法是采用刀具表面涂层工艺。
c. 比湿式切削刀具具有更高的强度和抗冲击韧性。
国外高速干式切削的研究工作开展较早，条件也较为成熟，西欧国家已有近1/3的企业开始采用。但是，由于高速干式切削对加工条件要求比较苛刻，给机床在线稳定生产造成一定的难度，使用复杂刀具加工时更为突出，因此，该工艺在我国短时期内难以普及。
2. 空气流切削工艺
空气流切削法包括MQL(微量润滑)切削、低温冷风切削、氮气流切削及蒸气切削法。MQL切削是在切削中用压缩空气加微量润滑剂代替切削油剂；低温冷风切削是在MQL切削法的基础上降低压缩空气的温度进行切削，氮气流切削是在切削中用氮气流代替低温冷风；蒸气切削则是在切削时用蒸气代替切削油剂。
1996年，日本横川技术研究所、工学院大学的横川和彦教授、横川宗彦副教授等人对低温冷风切削加工技术的研究获得成功。低温冷风切削加工是在切削时使用-10℃～-100℃的低温冷风和非常微量的植物油代替冷却润滑剂实施切削的方法。研究表明：在金属切削过程中，如果只给加工点提供非常微量、润滑效果良好且未被氧化的植物油，加工点会因高温而丧失润滑性，使刀具很快磨损。如果加工时提供低温冷风，加工点的高温化就可得到缓解，达到延缓刀具磨损的目的。如果在给加工点提供低温冷风的同时，再加上润滑效果良好且未被氧化的微量植物油，不仅加工点的高温化可得到缓解，而且刀具的润滑性也可得到保证。试验证明，采用低温冷风切削时，车刀的寿命可以延长两倍以上。采用不同切削方法时的切削寿命对比见图2。

图2 干式车削、油剂车削、MQL 车削与低温冷风车削时的刀具切削寿命对比
近几年来，国外对低温冷风切削技术的研究已趋成熟，低温冷风切削技术已为机床生产企业所接受并相继推出采用该技术的机床产品。如日本安田工业公司的加工中心采用在电机轴、刀杆轴的中心插入绝热风管的结构，使-30℃的低温冷风直通刀刃，该结构太大改善了切削条件，更有利于低温冷风切削加工工艺的实施。此外，日本三井精机推出的加工中心、冈本工作机械推出的平面磨床、森精机推出的车床等都使用了低温冷风切削技术。为了保证切屑的迅速处理，这些机床的结构都作了较大的调整。同时，与之配套的低温冷风发生系统的生产也实现了商品化，并正在成为日本机床行业新的销售热点。
1. 勿需作加工尺寸补偿
在使用油剂切削时．由于油剂温度高，工件受油温的影响会发生膨胀，加工时往往需要进行尺寸补偿。使用低温冷风切削工艺后，由于采用稳定的低温冷风，太大减少了工件的热变形，因此，勿需进行加工尺寸补偿。
2. 有利于提高加工精度
研究表明，冷风可以使加工点的温升低于60℃，工件加工界面残留应力趋于零，对提高加工精度具有重要意义。
3. 提高刀具寿命
试验表明：在同一台机床上使用相同材料的车刀进行切削，分别用+10℃、-5℃、-10℃、-20℃、-30℃的冷风冷却切削点，试验结果太为不同：以横刃面磨损至0.1mm为限，在风温为+10℃时切削长度为140m；风温为-5℃时切削长度为330m；风温为-10℃时切削长度为760m，风温为-20℃时切削长度为1220m，风温为-30℃时切削长度高达1400m。从试验结果可知，采用低温冷风切削可明显提高刀具的使用寿命。
4. 提高加工效率
在使用油剂切削时，为了防止油雾扩散和油沫飞溅，加工时需要使用护罩，高速切削机床还设有全密封护罩。护罩的使用阻碍了装卸工件，增加了频繁开启时间。采用低温冷风切削可解决这个问题，明显提高加工效率。此外，刀具寿命的延长也提高了机床的加工效率。
除此之外，由于机床不再使用切削油，因此，可以直接观察加工状态，有利于操作；可以节约机床切削油循环系统、油雾分离装置等的制造费用，降低机床制造成本；可以节约机床切削油循环系统占用的车间面积，降低零件加工成本；同时，更有利于难切削材料的加工。

七、高速低温加工中需解决的问题
1. 对在低温切削条件下进行刀具材料和刀具几何参数进行优选，确定出最佳的参数。
2. 在空气湿度较大的地区，液氮喷口与周围的温差大，容易结冰，在工作时不稳定，同时要附以加热装置。

结语
高速低温切削在提高切削质量，改善切削环境，降低切削成本以及攻克一些较难加工材料方面有很大的优势。深入研究这项技术可以解决诸多问题。是技术上的革新。

参考文献
参考文献(6条)
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3.雷红;李志华低温加工的绿色功能和综合效益[期刊论文]-航空精密制造技术 1999(03)
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