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难加工材料绿色切削技术与CO2增效工艺
点击次数:20 更新时间:2021-08-02

1   序言

高强钢、高温合金及钛合金等难加工材料通常具有高强度、抗腐蚀、抗氧化性以及优良的高温性能等优势,被广泛应用于航空航天、核能和兵器等重要领域的关键装备中。然而在满足高性能使用要求的同时,由于材料的难加工性,会导致刀具磨损严重、寿命降低、切削区温度较高、工件表面加工质量下降以及产生较大的加工残余应力等一系列问题。对于高端精密装备与结构部件,表面加工质量和残余应力更是直接关系到后期的使用寿命及可靠性。


传统加工通过浇注切削液对刀具和工件表面进行冷却、润滑和清洗,用来减小切削力和刀具磨损并改善表面质量。但是切削液含有矿物油和各类化学添加剂,大量使用会导致环境污染,危害操作人员身体健康,同时造成资源浪费且提高了生产成本。许多国家已制定相关环保标准,明确了切削液限值,我国也陆续出台了一系列环保和职业?;け曜祭聪拗魄邢饕河昧?。随着先进制造技术的发展和环境、安全及健康?;ひ馐兜募忧?,绿色制造成为制造业未来发展的必然趋势。近些年发展起来的干式切削、低温切削、微量润滑(Minimal Quantity Lubrication,MQL)切削以及低温微量润滑切削等绿色高效加工技术,有望替代传统的浇注式加工方式。


2    绿色切削技术


2.1 不含切削液的切削


干式切削不使用切削液,因此机床结构简单,环保、成本低。通过提高切削速度可以改善表面粗糙度,并且对残余应力和加工硬化程度有一定的改善。但是由于缺少冷却和润滑,切削温度较高,切削力较大,排屑不畅,不易保证表面加工质量,并且存在较大的残余应力。


低温切削技术是在加工过程中加入冷源以降低加工区温度,局部的深冷可使工件材料冷脆,促进切屑的分离,进而达到改善加工质量,减少刀具扩散磨损的目的。低温加工现场如图1所示。


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图1 低温加工现场


试验表明:①使用液氮冷却切削可显著降低高温合金和钛合金的切削温度,改善切削变形区的应力分布。②使用低温压缩空气作为冷源能显著提高刀具寿命,并且随着切削速度的提高,刀具寿命显著提高。使用高压低温空气射流,通过强化冷却和减小刀屑接触长度,可降低切削温度,抑制干切削时切削刃的塑性变形。③使用低温CO2作为冷却润滑剂在不锈钢切削、铣削加工中也有较大应用潜力。液态CO2在喷射到加工区时产生CO2气体和微米级干冰颗粒,除实现低温冷却外,CO2本身也具有一定的润滑性能,相比液氮冷却可降低切削力,减少刀具磨损,此外还具有一定的经济效益和环境优势。


低温切削可以有效降低切削温度,但是由于缺少润滑条件,因此在加工性能提升方面具有一定的局限性。


2.2 微量润滑切削


微量润滑(MQL)技术是将少量的切削液与压缩气体混合后,通过喷嘴雾化成微米级液滴油雾,喷射到加工区,实现刀具和加工面的润滑。近些年来,国内外学者在MQL技术的润滑机理、刀具磨损及寿命、MQL工艺参数优化以及各类难加工材料加工性能等方面进行了大量研究。大多数试验研究表明,MQL技术具有切削液用量少、减少刀具-切削面摩擦、降低切削力和延缓刀具磨损等优势。然而在一些工况下,MQL技术存在冷却性能不佳、切削温度较高甚至润滑油膜破裂和润滑失效等问题。如果能将低温切削和MQL技术的优势相结合,既保证足够的冷却性能,又能有效利用润滑剂的润滑特性,那么将大幅改善难加工材料的加工状态。低温微量润滑技术就是这两种绿色加工技术的结合。低温冷源的介入,一方面用于降低切削温度;另一方面用于防止润滑剂因高温失效。常用的冷源有低温冷风、低温液氮、液态/超临界CO2。


国内在低温冷风微量润滑技术方面的研究较多,与传统切削相比,该技术能有效降低切削温度,减少刀具磨损,改善加工硬化现象。但是该技术冷却能力有限,有时难以满足难加工材料高效切削的要求;液氮低温微量润滑技术在冷却方面效果最佳,但过低的温度容易引起材料的低温脆性和硬化,导致加工表面恶化、润滑剂失效,并且在减小刀具磨损方面与传统浇注式切削相比存在一定的差距。此外,液氮冷却工艺需要集成较为复杂的液氮射流系统和工艺装备,液氮储存和运输成本也相对较高,国内相关的研究一直未能深入。


3.   超临界二氧化碳微量润滑技术


超临界二氧化碳(Supercritical Carbon Dioxide,scCO2)是目前公认的环境友好的“绿色溶剂”,其临界条件温和(临界温度Tc=31.1℃,临界压力pc=7.4MPa),不仅无毒、廉价、不易燃、无污染、容易回收循环利用,还具有超临界流体的特性,如密度和溶剂化能力与液体相似,而黏度、扩散系数接近气体,并且性质可通过温度和压力调节。scCO2既能作为溶剂溶解润滑油,又可作为冷却介质形成CO2/干冰颗粒/润滑油微液滴的三相射流,输送到切割、成形区域的深处,实现冷却润滑增效。另外,超临界二氧化碳微量润滑(scCO2-MQL)技术不需要设置单独的润滑油雾化装置,结构简单,还可以单纯的CO2/干冰形式进行低温切削。scCO2-MQL技术的工艺流程如图2所示。

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图2 scCO2-MQL技术的工艺流程

1—计量泵 2—切削液储罐 3—喷嘴 4—单向阀 5—柱塞泵 6—冷却器 7—调节阀 

8—CO2气瓶 9—管路 10—温度传感器 11—压力传感器


与浇注式切削相比,采用scCO2-MQL切削的刀具磨损量小,在同样的刀具寿命条件下,使用scCO2-MQL切削能提高金属去除率,并且刀具的磨损由快速沟槽磨损转变为缓慢的月牙洼磨损;与干式加工相比,使用scCO2-MQL加工可减少材料毛刺的形成;与MQL加工技术相比,scCO2作为切削液载体,降低了切削温度、切削力、切屑厚度、刀-屑接触长度和比能量,具有更高的加工效率。另外,scCO2-MQL还可以加工传统MQL方法难以加工的硬质合金,是MQL技术的重要拓展;将scCO2和油膜附水滴(Oils on Water,OoW)技术结合,可以利用快速膨胀的scCO2喷雾,将干冰和OoW液滴的混合物输送到切削区,对加工过程进行冷却和润滑。与单纯scCO2、单纯OoW冷却润滑相比,scCO2-OoW方法降低了切削力,保持了更平稳的切削过程,加工表面质量显著提高。因此,scCO2-MQL在减少刀具磨损、提高加工效率和改善金属微加工性能方面有着广泛的应用前景。


4.   结束语


将低温冷源与微量润滑技术结合可实现加工区的冷却润滑增效,能显著改善难加工材料加工性能。该技术由于减少了切削液用量且显著提升了切削性能,是一类新兴的绿色切削技术,所以近些年受到学术与工业界的普遍关注。一些学者将scCO2作为冷源应用于低温微量润滑切削中,展示出了其优越的润滑冷却效果,使微量润滑技术在高材料去除率下的加工成为可能,同时也是“绿色溶剂”与“绿色制造”“可持续加工”深度融合的重要创新,能在改善难加工材料加工性能、提升制造质量和提高生产效率的同时,实现环境污染最小化。此外,scCO2无毒、廉价,还具有超临界流体低黏度、溶剂能力强以及性质可调的特性,具有较大的开发潜力。scCO2与MQL技术的融合具有学科交叉属性,化工、热力学和机械学科交叉渗透部分较多,已有的研究主要集中在机械加工方面,以及与其他冷却润滑方式之间的比较,scCO2对切削液的溶解特性、热力学行为以及工艺调控方面的基础研究并未得到较大关注,还有待深入探讨。


本文发表于《金属加工(冷加工)》2021年第7期6~8页,作者: 河北工业职业技术大学 梁向东,胡孟谦,解景浦,万晓航,原标题:《难加工材料绿色切削技术与CO2增效工艺》。

?来源:金属加工

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