1 引言 切削或磨削加工中使用切削液的主要作用是冷卻和潤滑，為了提高其性能往往都添加含有S（硫）、P（磷）、Cl（氯）等化學(xué)元素的極壓添加劑．這些物質(zhì)污染環(huán)境并對人體有害、而且使用完了的切削液必須進行處理，增加了費用。因此，不使用切削液的干式切削和準干式切削已成為綠色切削工藝的研究熱點，但由于在一定條件下，無任何冷卻措施的干式切削還無法滿足加工要求，還需要對刀具進行一定的冷卻和潤滑，因此出現(xiàn)了風(fēng)冷卻加工技術(shù)。本文重點介紹有關(guān)風(fēng)冷卻的加工技術(shù)及裝置。 2 風(fēng)冷卻加工系統(tǒng) 風(fēng)冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。一般由壓縮空氣供給源、空氣除濕器、空氣冷卻器、絕熱管、微量供油裝置、風(fēng)嘴、吸塵管和集塵器構(gòu)成。從空氣供給源來的空氣經(jīng)過除濕器將水分除去后，送入空氣冷卻器冷卻至-30℃ ，再經(jīng)絕熱管由風(fēng)嘴將冷風(fēng)送至切削部位。同時向加工點噴少量的無害植物油，以防銹并且有一定潤滑作用。在風(fēng)嘴的對面設(shè)有集塵裝置以收集廢屑和風(fēng)塵，通過集塵器內(nèi)的過濾器將切屑濾去。 3 空氣的冷卻方法及要求 制冷的方法有很多，常見的制冷原理可歸結(jié)為4種：液體汽化制冷、氣體膨脹制冷、渦流管制冷和熱點制冷。原則上講這些制冷方式都可用于空氣的冷卻。但目前作為切削用冷卻空氣的方法有使用液體氮等低沸點介質(zhì)的間接冷卻方式、使用制冷劑的壓縮機循環(huán)間接制冷方式、利用壓縮空氣的絕熱膨脹直接制冷方式和渦流管的制冷方式等。 1） 使用低沸點介質(zhì)的間接冷卻 圖2為使用低沸點介質(zhì)的間接冷卻方式的原理圖。這種制冷方式使用氮等對人體無害、無環(huán)境污染的低沸點氣體，可在有關(guān)工廠液化，再加入風(fēng)冷卻系統(tǒng)中，在常溫常壓下蒸發(fā)吸熱，使空氣冷卻。 此種冷卻方式由于液氮是在外部液化的，在系統(tǒng)內(nèi)部僅存在和空氣的熱交換，因此冷卻部分的結(jié)構(gòu)簡單。另外，液氮的汽化溫度是-180℃ ，因此可將空氣冷卻到-100 ℃ 以下，溫度可由液氮的流量控制，過冷時可通過加熱器加熱。但采用此種方式進行連續(xù)實際切削時需要大容量的儲液器，因此不太實用。另外，由于液氮等低沸點液體在外部制備，因而加大了整個系統(tǒng)的運行成本。 2） 循環(huán)壓縮式間接制冷 循環(huán)壓縮式間接制冷方式如圖3所示。該方式使用低沸點的制冷劑，由壓縮機、蒸發(fā)器、冷凝器和膨脹閥構(gòu)成閉環(huán)冷卻系統(tǒng)。根據(jù)制冷效率和蒸發(fā)溫度選用作為制冷劑的氣體。此種制冷方式廣泛用于家用冰箱及冷凍倉庫，在溫度控制和能耗效率方面都比較理想。 圖3 循環(huán)壓縮式間接制冷方式 經(jīng)蒸發(fā)器蒸發(fā)的氣體由壓縮機加壓到所定壓力，在冷凝器中液化，儲存到儲液器中，儲液器內(nèi)的高壓液體在設(shè)定壓力以下經(jīng)膨脹閥減壓進入蒸發(fā)器，蒸發(fā)吸熱將空氣冷卻，再變成氣體回到壓縮機，冷風(fēng)溫度可通過蒸發(fā)器內(nèi)的壓力和液體供給量進行設(shè)定。 此種制冷方式分為蒸發(fā)溫度（壓力）、冷凝溫度（壓力）；按能耗方式分為單級壓縮循環(huán)、多級壓縮二元冷凍循環(huán)等。 3） 空氣絕熱膨脹直接制冷 空氣絕熱膨脹的直接制冷方式如圖4所示：此種制冷方式是利用高壓空氣的絕熱膨脹，降低冷卻氣體本身的溫度，屬于開放型的直接制冷方式。 由空氣壓縮機或管路來的常溫、高壓空氣進入膨脹機，使其在設(shè)定壓力以下膨脹，通過發(fā)電、外部機器驅(qū)動等消耗空氣的能量使溫度下降。冷風(fēng)出口溫度由進入膨脹機氣源壓力和膨脹機的出口氣體壓力及膨脹機的性能決定。目前能產(chǎn)生-90℃ 冷風(fēng)的設(shè)備已經(jīng)實用化。 4） 渦流管直接制冷 圖5所示為渦流管制冷的原理圖。高壓空氣通過渦流管時將產(chǎn)生渦旋運動，由于渦流內(nèi)外氣體存在壓力差（密度差）而產(chǎn)生溫度差．中心部分的氣體為低溫氣體，外側(cè)為高溫氣體。冷風(fēng)的溫度與入口氣體壓力和排出的氣體流量有關(guān)。此制冷方式不需要另外的動力，僅用一個渦流管即可，結(jié)構(gòu)簡單。但由于需有一部分氣體作為熱氣排出，因此，制冷效率要差一些。 1.噴嘴 2.孔板 3.渦流室 4.控制閥 5） 實施風(fēng)冷卻切削加工對空氣冷卻系統(tǒng)的要求 實施風(fēng)冷卻切削技術(shù)的關(guān)鍵要控制好風(fēng)冷卻的4 個要素：溫度、壓力、流量和方向。無論是哪種制冷方法都應(yīng)滿足以下要求： ·應(yīng)能與一般工廠現(xiàn)有風(fēng)壓配合使用； ·輸送管徑要盡量大，以減少由管路造成的流量損失； ·冷風(fēng)溫度和風(fēng)量應(yīng)可調(diào)； ·冷風(fēng)的輸出應(yīng)能夠暫停； ·要在短時間內(nèi)使冷風(fēng)溫度達到要求； ·風(fēng)嘴應(yīng)盡量接近冷卻點，距冷卻點20mm以上時冷風(fēng)溫度上升較多 上述4種制冷方法的比較如下表所示。目前日本應(yīng)用最多，并且壓縮機循環(huán)制冷方式已達到商品化。 4 風(fēng)冷卻切削的優(yōu)缺點及研究方向 風(fēng)冷卻切削的優(yōu)點：因不使用切削液，因此，不產(chǎn)生Cl、S、P等元素，無化學(xué)污染，有利于環(huán)保：節(jié)約了切削液的購入費用及其相關(guān)的設(shè)備費用和維護費用；不需要處理切削液，防止了地球暖化，節(jié)省了處理費用；不使用切削液而節(jié)省了地球資源；由于不使用切削液其切屑可以直接利用。 但風(fēng)冷卻切削目前也存在以下問題：切屑收集問題；純風(fēng)冷卻時刀具的潤滑問題；已加工工件的防銹問題；冷風(fēng)的噪聲問題； 目前風(fēng)冷卻切削研究的主要方向有：提高冷卻性、減少冷卻空氣量；降低風(fēng)嘴的噪聲：開發(fā)潤滑性好的刀具；研究高效的切屑收集方法。 本文作者:哈爾濱理工大學(xué) 劉獻禮 大連理工大學(xué) 文東輝 深圳怡安實業(yè)有限公司 鐘佳