低温加工用低温氮气系统研制

　　1 前言

　　传统机械加工时，工件和刀具会产生巨大的热量。这些热量在机械加工过程中大多来不及传入工件深处，会聚集在工件表层里形成局部高温和极大的温度梯度。如果不能及时、有效地对它们进行降温冷却，不仅可能导致工件烧伤、合金元素的再沉积、表层物理化学性能的变化、应力腐蚀、残余拉应力、表面次表面裂纹和疲劳寿命降低等缺陷，还会严重影响刀具耐用度，缩短刀具的使用寿命。为降低加工区域温度，提升加工性能，延长刀具使用寿命，通常会向磨削区域浇注大量切削液，但这些含有添加剂的切削液的大量使用会破坏自然环境，危害人体健康，也增加了制造成本，降温效果一般。因此，很有必要探索研究机械加工的降温冷却技术[1]。

　　自上世纪50年代开始，国内外陆续开始研究用于机械加工领域的低温切削技术。美国人Ue-hara与Kumagai率先采用液氮作为冷却液进行切削加工，发现可使切削力降低，延长刀具寿命，并使得加工表面光洁度得到改善[2]。

　　近些年来，各种新材料的陆续问世，人们开始重视起低温加工。国外Carbon Dioxide 公司采用液体二氧化碳作为冷却液输送到机床上。美国洛克希德·马丁公司将低温钛加工工艺运用到F-35“闪电 II”隐身战斗机的生产中，通过这项技术改进F-35的生产可承受性和效率。在国内，重庆大学、哈尔滨理工大学、大连理工大学、南京航空航天大学等研究人员也对这方面技术进行过研究，研究表明: 低温风冷切削可显著降低切削区温度，提高刀具耐磨性，延长刀具使用寿命，改善加工表面质量，且对环境完全无污染[3]。

　　本装置的研制正是将低温技术运用于超精密加工领域。

　　2 目前运用于加工的低温技术与原理

　　目前运用于加工领域的低温技术主要有浸液冷却式、冷空气喷射式和低温流体喷射式三种。浸液冷却式是将被加工件直接浸入低温液体中进行冷却，待工件完全冷却后取出，装夹加工。采用这种方式进行加工时产生的切削热会使得加工件迅速回温，维持低温时间较短，单次加工时间有限，但消耗的低温液体较少。

　　冷空气喷射式将空气进行干燥、过滤，通过压缩式制冷系统将净化后的空气进行降温，再利用低温空气对加工件和刀具进行降温。通过这种方式可以获得最低-40℃ ～-50℃的冷气流，但是整体系统庞大，降温能力有限而且占地面积大[2]。

　　低温流体喷射式采用低温液体直接喷射向加工件和刀具，对加工件和刀具直接降温，同时带走加工时产生的切削热。采用这种方式可以维持低温加工时的降温需求，然而这种方式极易消耗低温液体，不适用于较长时间的加工[4 -5]。