干式切削及干式冷却砻谷机
时间：2022/08/02 09:28:20 编辑：
干式切削及干式冷却
干式切削及干式冷却 2011年12月04日 来源： 我国是机床大国，2005年机床工业产值和机床消费额在全球都名列前五位，而且持续发展势头迅猛。然而在经济繁荣的背后却存在着巨大的环境污染问题，机床行业普遍使用的切削液对环境和人身会造成污染和损害。早在20世纪，欧美等工业发达国家就将某些切削废液作为有毒材料处理，制定了严格的法律、法规限制切削废液排放，使得切削废液的处理成本大大增加。因此越来越多的欧美厂家在机械加工时采用干式切削或半干式切削工艺，以降低成本。目前，研发新型刀具、采用低温冷却气对刀具降温已成为干式切削的重点发展方向。研发新型刀具干式切削无疑对刀具材料的耐磨性、热硬性、稳定性、耐热性提出了更高更严格的要求。目前广泛使用的材料包括有超细颗粒硬质合金、CBN、PCD、金属陶瓷和陶瓷（包括氧化铝和氮化硅）。这些材料虽然有不少优点，但是与传统的硬质合金相比要脆得多，无法承受过大的压力，所以切削刃必须经过加工以分散压力。为了方便排除切屑，刀刃的外形设计也显得非常重要。更为重要的是刀具涂层。涂层就像一层绝热屏障，能有效抑制从切削区到刀具的热传递降低热冲击。目前使用最多的涂层是氮化钛，占到了85%以上，在高速干式切削的情况下最好的涂层材料是氮铝钛，它具有更好的耐高温性。涂层的厚度通常在2～18mm之间。涂层越薄，表面应力越小，耐温度变化性能也越好，切削时不容易产生裂纹和细斑。涂层越厚耐高温性能越好，耐磨性增强，刀具的韧性也越好。所以涂层的厚度往往决定了刀具的性能和特点。采用低温冷却气对刀具降温目前干式切削技术还不完善，往往还需要辅助压缩空气、冷却气降温，有时候还会用到少量润滑油或喷雾润滑。但是我们有理由相信，随着干式切削的快速发展，必然会带动刀具的不断革新，在不久的将来会涌现出更多新技术、新设计、新材料的刀具。冷却气降温是国内近几年新兴的刀具降温方式，也称作干式冷却。它通过涡旋管(vortex tube)将常温下的压缩空气降低到零下10～20℃之间。由一个单头、多头或扁平万象管输送冷空气直接吹向刀具和工件的接触表面，降低温度，减少热冲击。涡旋管的工作方式类似于龙卷风(图1)，压缩空气(0.55～0.69MPa)经过发生器的螺旋口进入涡旋管的腔体内，形成1000000r/min的高速涡旋气流流向尾端。
图1 涡旋管工作原理示意图
此过程中释放出巨大的热能，使腔体表面温度急剧升高。到达尾端的涡旋气流经过锥形排气阀，排出少量的压缩空气并带走大量的热量。剩余的涡旋气流沿排气阀的锥形表面调转180°由腔体另一端流出，此时的涡旋气流因为已经释放出了大量热能，自身温度非常低，通常能下降到-10℃左右（图2）。而在实验室环境中最低温度能下降到-46℃的低温，是局部降温的最佳方式。
图2 涡旋管生产-10℃低温气体，表面结冰
早在19世纪，大物理学家James Clerk Maxwell就曾提出一个与涡流管有关的理论假设。他指出，既然热能的产生和分子的流动有关，那也许有一天，在一个“友善的小恶魔”（涡流管）的帮助下，能将气体中的冷、热分子分离出来，我们就可以在一件工具上，同时获得冷、热气流。涡流管的发明就是“Maxwell友善的小恶魔”的真实证明。法国物理学者George Ranque在1928年一次实验中偶然发现他正在试验的涡流式泵一端排出热空气而另一端排出的是冷空气。这立刻让Ranque产生了浓厚的兴趣，并试图制造出第一个涡旋管，可惜Ranque的努力失败了。这也使得涡流管的真正问世延后到1945年，德国物理学家Rudolph Hilsch发表了一篇受人瞩目的关于涡流管的科学报告。此后，历经理论和实践的不断更新完善，涡流管逐渐成为工业制冷的新工具，并迅速在欧美工业强国广泛使用。涡旋管的应用也不断创新，推出了冷却枪用于机床行业刀具降温和机箱冷却器用于高温控制柜降温（图3）。
图3 配备过滤器和消音器的机箱冷却器
美国EXAIR公司是全球最早设计、研发、生产涡旋管（冷却枪、机箱冷却器）的专业制造商，1983年正式成立于美国工业重镇辛辛那提。并耗资300多万美金在金海岸设立实验室和研发中心，不断提高、完善产品性能。深圳市联欧贸易发展有限公司是美国EXAIR公司在中港澳地区的总代理，负责其全线产品的市场推广和技术支持。公司经过十多年的快速稳定发展，和国内外数百家知名企业开展了成功合作，目前已在北京、上海、广州、成都、武汉、西安、昆明等地设有分公司和办事处,专业负责相关区域市场的客户售前、售后服务工作。(end)