CN101817165A - 基于微细冰水混合介质的低温冷风射流绿色切削方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于微细冰水混合介质的低温冷风射流切削方法，属于绿色切削技术的范畴。具体实现方法是将雾化后的微量细小水滴通过低温冷风冷却变为细小冰粒或者细小冰粒与水滴混合物后，通过低温冷风采用射流方式吹送到切削区进行冷却润滑。本方法的突出意义在于完全摆脱了对润滑油的使用，具有无污染、无危害、廉价、不需回收等优点，同时，微量细小冰粒(或冰水混合物)使用不仅保证了润滑效果，提高了冷却效果，而且最大限度的降低了水对切削加工所带来的不良影响，另外，初步试验表明，本方法能够较大的改善被加工材料的表面质量，并且能够一定程度上的提高刀具寿命。

Description

基于微细冰水混合介质的低温冷风射流绿色切削方法

技术领域

本发明涉及一种基于微细冰水混合介质的低温冷风射流切削方法，属于绿色切削技术领域。

背景技术

在机械加工过程中，大量使用切削液的弊端日益显现：从环境污染角度，一方面废弃的切削液是土壤和空气的重要污染源，另一方面，切削液被工人吸入后容易引发各种疾病；从使用成本角度考虑，切削液的购置、仓储、后续处理等大大增加了产品的总体制造成本；从加工质量角度，传统的切削液对刀具表面有热冲击效应，可能造成微裂纹等，细微的切屑混在切削液的循环系统中会严重影响加工质量。因此研究新的绿色切削技术，是推动绿色制造技术发展的重要环节，是实现机械制造可持续健康发展的必然要求。

绿色切削技术是绿色制造的一个组成部分，它是指对生态大环境和加工现场小环境均无毒副作用(或副作用很小)，在加工过程中产生的少量“三废”(废气、废液和废渣)在链条末端可回收或自然降解，达到无公害的环保要求，对人的健康和环境没有危害的切削技术。

近年来，出现了一些新的切削技术，主要有干式切削、液氮冷却切削、水蒸汽冷却切削、气体射流冷却切削、低温风冷切削、微量润滑(MQL)切削技术和在冷风中加微量切削油的低温冷风切削技术。其中，干式切削、液氮冷却切削、水蒸汽冷却切削、气体射流冷却切削及低温风冷切削等均属于绿色切削技术；微量润滑(MQL)切削技术和在冷风中加微量切削油的低温冷风切削技术则属于准绿色切削技术。这些新式切削技术的出现，改善了传统切削对于大量切削液依赖所造成的不好影响。但同时，这些新式切削技术也并非完美，也具有各自的优缺点，比如现有的微量润滑技术使用特殊的微量润滑用油，价格昂贵(200元/升-500元/升)，且对环境和人体健康尚有一定影响，因此，需要进一步的努力来为绿色切削提供新的技术方法和实现途径。针对于此，我们提出了一种基于微细冰水混合介质的低温冷风射流的绿色切削方法。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于微细冰水混合介质的低温冷风射流切削方法，属于绿色切削技术的范畴，该方法的突出意义在于完全摆脱了对润滑油的使用，具有无污染、无危害、廉价、不需回收等优点，同时，微量细小冰粒(或冰水混合物)的使用不仅保证了润滑效果，提高了冷却效果，而且最大限度的降低了水对切削加工所带来的不良影响，另外，初步研究表明，本方法对于改善被加工材料的表面质量和改进刀具寿命都有一定的积极效果。

本发明所提出的基于微细冰水混合介质的低温冷风射流切削方法的实现，需要一套针对本发明方法的特定的切削系统，切削系统的基本组成如图1所示，主要包括：水雾化子系统、低温冷风子系统、内部管路、外部管路连接部件与保温层。其中，水雾化子系统通过连接部件与内部管路相连，低温冷风子系统也与内部管路相连，该内部管路再通过一段连接部件与外部管路相连；所述的保温层包覆于有低温冷风通过的内部管路及连接部件的外围；水雾化子系统可采用不同方式(如采用气压式雾化装置或超声雾化装置)只要能够将水雾化成细小水滴并输出至内部管路即可，低温冷风子系统的实现也可采用多种方式，这里不做具体限定，要求能够直接连接实际机械加工环境中的提供的气源，且能够产生流量不低于0.2L/min、温度不高于-20℃的低温冷风即可；内部管路的主要所用有两方面：一方面是输送低温冷风与雾化后的细小水滴，另一方面是让低温冷风与细小水滴有充分的接触，保证细小水滴在进入外部管路之前能够全部或部分冻成成细小冰粒(即达到冰水混合的状态)；外部管路主要是喷出管路，包括喷嘴，将冰水混合介质与低温冷风输送至切削加工区；连接部件用于连接各个管路，都采用现有的气动连接部件产品；保温层用于密封低温冷风通过的管路以及连接部件，避免低温冷风的热量损失。

本发明一种基于微细冰水混合介质的低温冷风射流切削方法，该方法是将雾化后的细小水滴通过低温冷风冷却变为细小冰粒或者细小冰粒与水滴混合物后，通过低温冷风采用射流方式吹送到切削区进行冷却润滑。

具体步骤如下：

(1)开启低温冷风子系统，产生的冷风通过内部管路、连接部件与外部管路后输出出去，形成冷风射流，待开启低温冷风子系统能够产生稳定流量与温度的低温冷风后，保持低温冷风子系统的正常工作；

(2)对内部管路、连接部件与外部管路进行预冷，即，在开启水雾化子系统前，只开启低温冷风子系统，使得管路中只通低温冷风一段时间；

(3)开启水雾化子系统，使水雾化子系统产生的雾化小水滴通过连接部件进入内部管路中，在内部管路中，雾化细小水滴将与低温冷风混合，并被低温冷风携带输出，形成含有混合介质的射流，通过对内部管路的长度控制可以保证低温冷风与细小水滴的充分接触，最终确保细小水滴被全部或者部分冻成细小冰粒；

(4)调整外部管路中喷嘴的方向与距离，使其对准切削加工区域，即可进行切削加工。

本发明一种基于微细冰水混合介质的低温冷风射流切削方法，其优点及功效在于：本发明采用无污染、无危害、且不需回收的水取代润滑油作为切削液。

本发明采用微量水作为切削液，可以在微量的范围内确定出适合切削加工所需的水的具体使用量(具体使用量需要视实际的工作条件而定)，最大限度的降低了水对切削加工所带来的不良影响，对于改善被加工材料的表面质量和改进刀具寿命都有一定的积极效果。

附图说明

图1为本发明方法的切削系统组成原理示意图；

图2为本发明具体实施例1的切削系统示意图；

图3为本发明具体实施例2的切削系统示意图。

1、水雾化子系统  2、低温冷风子系统  3、内部管路

4、外部管路      5、连接部件        6、保温层

7、压缩空气

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的说明。

本发明一种基于微细冰水混合介质的低温冷风射流切削方法，具体如下：

(1)开启低温冷风子系统，产生的冷风通过内部管路、连接部件与外部管路后输出出去，形成冷风射流，待开启低温冷风子系统能够产生稳定流量与温度的低温冷风后，保持低温冷风子系统的正常工作；

(2)对内部管路、连接部件与外部管路进行预冷，即，在开启水雾化子系统前，只开启低温冷风子系统，使得管路中只通低温冷风一段时间；

(3)开启水雾化子系统，使水雾化子系统产生的雾化小水滴通过连接部件进入内部管路中，在内部管路中，雾化细小水滴将与低温冷风混合，并被低温冷风携带输出，形成含有混合介质的射流，通过对内部管路的长度控制可以保证低温冷风与细小水滴的充分接触，最终确保细小水滴被全部或者部分冻成细小冰粒；

(4)调整外部管路中喷嘴的方向与距离，使其对准切削加工区域，即可进行切削加工。

实施例1

附图2为针对本发明方法所设计的具体切削系统的实施例1示意图，在本实施例中，水雾化子系统1采用气压式水雾化装置，向其中通入压缩空气7可以将其中的水雾化成细小水滴，并能够将雾化后的水滴通过与其相连的连接部件5吹入内部管路3中，低温冷风子系统2中通入压缩空气7后产生的低温冷风也进入内部管路3中，在内部管路3中产生的雾化水滴与低温冷风充分混合，在此过程中细小水滴将会全部或者部分被冻成细小冰粒，然后细小冰粒(或者冰粒与水滴混合物)与低温冷风共同通过外部管路4形成射流，最终被送入切削区，其中保温层6包覆在有低温冷风通过的内部管路3及连接部件5外围，起保温隔热作用，减少热量损失。

采用实施例1的切削系统对铝合金材料进行铣削试验，试验中实施例1产生的低温冷风温度为-50℃，气量流量约为0.5L/min，雾化装置的雾化量≤50mL/h，雾粒直径为微米级。所用试件材料为2A12。使用机床为沈阳机床立式加工中心VMC0850B，刀具采用两齿YT15镶片端铣刀，主轴转速为S＝4000r/min。进给速度f_z＝0.075mm/齿，切宽a_c＝32mm，切深a_p＝2mm。分别采用干切削，传统切削(使用大量切削液)和本发明的基于微细冰水混合介质的低温冷风射流切削方法进行切削试验，试验后测得的试件加工表面不同点的

粗糙度值见表1。

表1

结果表明，本发明所使用的基于微细冰水混合介质的低温冷风射流切削相比于干式切削与传统切削试件的表面质量都有较大幅度的改善。

另外，通过比较不同切削方式后的刀具磨损情况，发现，采用基于微细冰水混合介质的低温冷风射流切削方法的刀具磨损较轻，表明，基于微细冰水混合介质的低温冷风射流切削方法能够在一定程度上提高刀具的使用寿命。

实施例2

附图3为针对本发明设计的切削系统的实施例2示意图，实施例2与实施例的不同之处在于，其中水雾化子系统1采用超声雾化器代替实施例1中的气压式雾化装置实现对水的雾化。采用实施例2的切削系统对合金钢材料进行铣削试验，试验中实施例2产生的低温冷风温度为-20℃，气量流量约为0.2L/min，雾化装置的雾化量约为≤10ml/h，雾粒直径0.5～5um。所用试件材料合金钢30CrMoNi2。使用机床为沈阳机床立式加工中心VMC0850B，刀具采用两齿YT15镶片端铣刀，主轴转速为S＝1500r/min。进给速度f_z＝0.067mm/齿，切宽a_e＝32mm，切深a_p＝0.25mm。分别采用干切削，传统切削(使用大量切削液)和本发明的基于微细冰水混合介质的低温冷风射流切削进行切削试验，试验后测得的试件加工表面不同点的粗糙度值见表2。

表2

结果表明，本发明所使用的基于微细冰水混合介质的低温冷风射流切削相比于干式切削与传统切削试件的表面质量都有较大幅度的改善。

另外，通过比较三种不同切削方式后的刀具磨损情况，发现，采用基于微细冰水混合介质的低温冷风射流切削方法的刀具磨损较轻，表明，基于微细冰水混合介质的低温冷风射流切削方法能够在一定程度上提高刀具的使用寿命。

Claims (2)

1.一种基于微细冰水混合介质的低温冷风射流切削方法，该方法所基于的切削系统主要包括：水雾化子系统、低温冷风子系统、内部管路、外部管路连接部件与保温层；特征在于：该方法是将雾化后的细小水滴通过低温冷风冷却变为细小冰粒或者细小冰粒与水滴混合物后，通过低温冷风采用射流方式吹送到切削区进行冷却润滑。

2.根据权利要求1所述的基于微细冰水混合介质的低温冷风射流切削方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

(1)开启低温冷风子系统，产生的冷风通过内部管路、连接部件与外部管路后输出出去，形成冷风射流，低温冷风子系统能够产生稳定流量与温度的低温冷风后，保持低温冷风子系统的正常工作；

(2)对内部管路、连接部件与外部管路进行预冷，即，在开启水雾化子系统前，只开启低温冷风子系统，使得管路中只通低温冷风一段时间；

(3)开启水雾化子系统，使水雾化子系统产生的雾化小水滴通过连接部件进入内部管路中，在内部管路中，雾化细小水滴将与低温冷风混合，并被低温冷风携带输出，形成含有混合介质的射流；

(4)调整外部管路中喷嘴的方向与距离，使其对准切削加工区域，即可进行切削加工。

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