低温冷风切削机理的分析与研究
李婷
传统的机械加工过程大都采用切削液进行冷却并带走切屑，这样非常不利于环保，而且传统的机床因为没有防护罩，所以在使用切削液时会将切削液溅到工人的衣服和机床上，不仅不容易清洗，而且对环境也有很大的污染。随着人类对环境保护和可持续发展意识的提高，传统切削液也逐渐被限制使用。但是，如果不用冷却液在切削的过程中对刀具进行冷却，在较大的切削力的作用下，刀具的使用寿命会大大缩短。因此，采用有效的冷却润滑技术，降低切削温度，改善切削摩擦状态，从而降低切削力，抑制刀具磨损，成为进一步提高加工效率的主要技术途径。与此同时，在低温学和摩擦学理论的基础上，金属切削加工领域出现了多种用于替代传统湿式冷却润滑加工方法的新型绿色切削加工技术，如以冷却作用为主的液氮冷却、低温冷风等，以润滑为主的微量润滑（MQL）、惰性气体等，综合两种效果的喷雾冷却等新技术。本文通过分析金属材料低温下的脆性现象以及低温冷风下的冷却、润滑以及断屑机理，从而对低温冷风的切削机理做了理论研究。
一、金属材料的低温脆性分析
金属材料低温脆性产生的原因
低温脆性指温度低于某一温度时，材料由韧性状态变为脆性状态，冲击值明显下降的现象。金属的低温脆性是由于金属的屈服强度随温度降低而升高造成的。如下图1所示，屈服强度δs与断裂强度δc相交，交点对应的温度为脆性转变温度Tk。当加工过程中的实际温度T<Tk时，δs >δc，随着应力的增加，材料在发生塑性变形之前就发生断裂，属于脆性断裂；当T>Tk时，δc>δs，随着应力的增加，材料先发生塑性变形，然后断裂，属于塑性断裂。并不是所有的金属都具有低温脆性，只有体心立方金属如铁、铬、钨等及其合金才具有明显的低温脆性，而面心立方金属，如铝等，没有明显的低温脆性。
影响金属低温脆性的因素
合金元素。合金元素对防止低温脆性起一定的作用，钢中添加锰、镍可使脆性转变温度显著降低，增加碳含量时脆性转变温度升高，因此，材料工程上用降碳加锰、镍元素的方法来设计低温用钢。
冶金工艺。冶金因素直接影响到钢中的夹杂物、气体含量以及钢的晶粒度。这些对钢的脆性及转变温度影响较大。
热处理。热处理可以改变晶粒大小和显微组织，从而可以改变低温性能。通过热处理细化晶粒或细化组织(如减少珠光体层间距离等)，不仅可以获得较高的强度和塑性，而且具有较高的冲击韧性和较低的冷脆转变温度。
加工硬化。有些零件在制造过程中需要冷加工等工艺，会产生局部塑性变形，出现应变时效而导致变脆。
此外，焊接的过程以及应力集中等对低温脆性也有影响，在此就不祥述了。
二、低温冷风的冷却及微量润滑（MQL）机理分析
切削力和切削温度是金属加工中影响加工效率的主要因素，采用有效的冷却润滑技术，降低切削温度，改善切削摩擦状态，从而降低切削力，成为进一步提高加工效率的主要技术途径。金属切削加工领域出现了多种用于替代传统冷却液的新型绿色切削加工技术，如以冷却作用为主的液氮冷却、低温冷风等，以润滑为主的微量润滑（MQL）、惰性气体等，综合两种效果的喷雾冷却等。
低温冷风。 冷风作为润滑油输送的载体，是促使润滑油形成稳定油膜的必要条件，冷风的温度和压力对低温MQL的切削性能有重要影响。一般而言，随着气压的增大，冷却润滑效果越好。这是由于不断增大的气压能有效提高润滑薄膜的承载能力，同时压缩气体愈加强烈的对流效应使得润滑油雾的冷却效应大大提升。相反，若气压低于某一临界值，过低的气压使润滑油不能形成稳定可靠的润滑膜，从而无法提供有效的润滑。此时，低温MQL的切削加工性能会大大降低。另外，降低冷风温度同样可以提高冷却润滑效果，但是，过低的温度一方面会影响润滑油的性能，另一方面会导致刀具产生热裂纹从而加速刀具磨损。因此，在应用低温MQL切削时应适宜控制冷风的温度和压力。通常冷风气压在0.4MPa～0.6MPa，温度在－10℃～－30℃左右。
微量润滑技术。MQL技术是在切削中用压缩空气加微量润滑剂代替冷却液，将压缩气体与极微量润滑液混合汽化后，喷射到加工区，对刀具和工件之间的加工部位进行有效的润滑和冷却。
常规的MQL技术在高速切削难加工材料时大量热量不能及时散去，使得切削温度迅速升高，导致润滑剂润滑性能剧烈下降，加工性能变差。若采用有效的降温手段则可进一步提高MQL的润滑效果，同时还能起到降低切削温度的作用。因此，就促成了常规的MQL 技术与冷却性能强的低温冷风技术结合的研究。
⑶低温冷风微量润滑
MQL技术与低温冷风技术结合的切削方式，用冷风直接对切削区域进行很好的润滑和冷却，加快了切削热在工件、切屑和刀具上的传导，从而降低切削温度和提高刀具的耐用度。用气体作为冷却剂时，能够更加轻易地渗透到切削区域，冷却效果好，同时空气比液体冷却剂更加环保、而且来源广泛，不必考虑经济成本。因此，低温冷风微量润滑技术是符合新型工业的一项绿色加工技术。
三、低温冷风的切削断屑机理分析
切屑能否很好地折断是受材料的物理性能和力学性能两方面影响的。首先从物理性能的角度来讲：材料的脆性越大，切屑就越容易折断，反之，如果一种材料的塑性越大，则切屑就越不容易被折断；从力学性能来讲：如果改变切屑形成的外部环境，使切屑内部产生的应力达到切屑断裂时的应力极限，或者切屑的变形超过了的断裂应变，那么切屑便会自行折断，从而就能到达到断屑的目的。
下面从几个方面对低温冷风条件下的断屑进行分析：首先，每种材料都有一个临界温度值，当周围的环境温度高于此临界温度时，极限断裂应变值便急剧的增大。对于低温冷风条件下的切屑来说，切削区的温度低于常规浇注式冷却，所以切屑折断要容易些；其次，低温冷风是在强大的气流冲击作用下进行的，此时，切屑由于得到较大的动力，在断屑台会被轻易地拉断，来达到断屑的目的；最后，前面也有提到过，金属具有低温硬脆性，在脆化后韧性降低，塑性变小，变形所需功也变小，则切屑就会很容易被折断了。
四、总结
本文主要从金属材料的低温脆性、低温冷风的冷却及微量润滑机理、低温冷风的切削断屑机理几个方面对低温冷风技术的切削机理进行了理论的分析与研究。通过研究我们可以得出以下结论：低温冷风切削可以降低切削过程中的切削力，同时由于在加工过程中冷风温度低，所以可以增加刀具的使用寿命；低温冷风切削能够降低工件表面的粗糙度；低温冷风技术是近些年发展起来的新型的绿色加工技术，符合高效节能的新理念，所以我们应该将这项新技术应用到更广阔的的领域。
（作者单位：西安石油大学机械工程学院）
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