液氮冷卻在切磨削加工中的應用

    在機械加工中普遍使用的切削液具有潤滑、冷卻、清洗及防銹等作用，對提高切磨削加工質量和效率、減少刀具磨損等有著顯著效果，取得了巨大的經濟效益。
    隨著機械加工業的發展，人們開始大力發展先進制造技術，使機床切削速度更快，切削負荷更大、切削溫度更高，同時不斷有新工藝出現來適應新材料的加工，這都需要新型的高性能切削液滿足加工要求；但更重要的是，環境保護和人類自身健康越來越為人們注意的焦點，清潔生產、綠色制造已成為發展先進制造技術的主題之一。實踐表明，普通的切削液對生態環境和人類自身會造成諸多不良影響，已難以適應清潔生產和綠色制造的要求。
    因此，現代切削液技術出現了一些新的發展特點，首先是在研究開發新的切削液時，強調了長壽命、低毒和低污染，并朝著環保型切削液發展，其廢液經處理后可完全降解，不會對自然界產生危害；其次是大力干切削(切削時不用切削液)的研究，擴大其使用范圍；還有就是努力尋找傳統切削液的替代品。用液氮作為冷卻液進行低溫加工，就是一項引起廣泛重視的研究成果。
一、液氮冷卻低溫切磨削加工的特點
    利用液氮進行低溫(超低溫)切削加工，就是利用液氮使工件、刀具或切削區處于低溫冷卻狀態進行切削加工的方法。它可分為兩種形式應用：一是直接應用，即把液氮象切削液一樣直接噴射到切削區；二是間接應用，在切削加工中用液氮冷卻刀具或工件。
    機械材料的切削加工與其機械性能密切相關，而后者往往隨溫度的變化而不同。例如溫度升高時，材料的硬度下降，強度降低；溫度降低時，材料則變脆，塑性減小，有些金屬材料存在明顯的冷脆現象，即當溫度降低到某一臨界值時，材料無明顯的塑性變形而產生脆性斷裂的特性。材料發生冷脆現象時，其韌性大大降低，致使塑性急劇減小，當然變形所需之功也會減少。正是利用材料的低溫脆性和低溫介質，低溫切削技術主要有三大特點，一是可改善難加工材料的切削加工性；二是能提高工件的加工精度和表面質量；三是能延長刀具壽命。這主要因為工作溫度低，改善了材料的切削加工性，切削力降低，切削熱又被迅速帶走，刀具則始終在較低溫度下工作。
二、液氮冷卻的應用
    近年來，國外在這方面的研究已取得迅速的發展，并開始用于生產。國內在開發這方面的試驗研究，并取得了一些進展。主要應用在以下幾方面：一是具有低溫脆性的鋼鐵等材料的切削加工；二是對一些難加工及很難加工的不銹鋼、鈦合金、高強度鋼、高強度耐熱合金等材料低溫切削，可顯示其獨特的優越性；三是解決了一些非金屬材料及復合材料難加工問題。
1. 液氮冷卻的直接應用
    即將液氮作為切削液直接噴射到切削區。氮氣是大氣中含量最多的成分，液氮作為制氧工業的副產品來源十分廣闊。使用液氮作為切削液，應用后直接揮發成氣體返回大氣中，沒有任何污染物，從環保方面看，是一種很好的切削液替代品。
    美國懷特州立大學S.Y.Hong博士為首的課題組，在解決了液氮從貯存罐到切削區流動過程中的液氮揮發問題后，在液氮冷卻超低溫狀態下，對車削加工方法進行了廣泛的研究。他對某些刀具材料的超低溫下切削性能實驗研究結果表明，在液氮冷卻加工狀態下，硬質合金材料能保持其抗彎強度、斷裂韌性和耐沖擊強度，其硬度隨溫度的降低而增大，因此硬質合金刀具材料在液氮冷卻中能夠保持其優良的切削性能，并且和在常溫下一樣，其性能決定于粘結相的數量。對于高速鋼，隨溫度的降低，其硬度增大而抗沖擊強度降低，但總體上能保持較好的切削性能。他對一些材料在低溫下提高其切削加工性進行了研究，選用了低碳鋼AISI 1010、高碳鋼AISI 070、軸承鋼AISI E52100、鈦合金Ti-6Al-4V、鑄造鋁合金A390五種材料，實驗研究表明：由于低碳鋼表現出良好的低溫脆性，低溫切削可獲得理想的加工效果；對于高碳鋼和軸承鋼，應用液氮冷卻可抑制切削區溫升和刀具磨損速度；在切削鑄造鋁合金時，應用低溫冷卻可提高刀具硬度和刀具抗硅相磨粒磨損能力，在加工鈦合金時，同時低溫冷卻刀具和工件，可有效地降低切削溫度和減少鈦和刀具材料之間的化學親和力�？傊�，都獲得較好的加工效果。
    一般來說，由于刀具磨損極其嚴重，金剛石刀具不能用來加工黑色金屬。美國一學者采用液氮冷卻加工系統對不銹鋼用金剛石刀具進行車削加工，由于低溫抑制了碳原子的擴散和石墨化，大大減少了刀具磨損，并取得了極好的加工質量，其表面粗糙度達到Ra25nm。
    磨削加工時會因磨削區高溫常常對工件表面造成熱損傷，如燒傷、微裂紋等。為有效解決這些問題，印度工學院S.Paul對液氮超低溫磨削五種常用鋼材進行了研究，結果表明：正確合理地使用液氮冷卻，可有效控制磨削區溫度，使磨削溫度保持在材料發生相變溫度之下而不發生磨削燒傷；并且在材料塑性增大和就較大進給量情況下，這種效果更加顯著。
    對于非金屬材料和復合材料的液氮冷卻切削加工，國外也開展了廣泛研究。如KFRP(Kevlararamind fiber reinforced plastics)一種高強度/重量比、耐疲勞的復合材料，用傳統切削方法加工非常困難，限制了這種材料的使用。新西蘭學者對其進行超低溫冷卻加工，使用液氮不間斷冷卻(0.4～0.5l/min)，極大的改善了這種材料的切削加工性，不但獲得了滿意的加工表面質量，還在很大程度上延長了刀具壽命。采用低溫切削熱固性塑料、合成樹脂、石墨、橡膠和玻璃纖維等材料時也均顯示出良好的切削性能。
    由此可見，在有關法規越來越嚴格，切削液使用和處理費用日益升高的情況下，液氮確實是一種未來切削加工中比較有效和經濟的切削液替代品。
2. 液氮冷卻的間接利用
    主要是刀具冷卻法，即在加工中不斷地冷卻刀具，使切削熱快速從刀具上、特別是刀尖處被帶走，刀尖始終保持在低溫狀態下工作。美國林肯大學的學者，利用山特維克公司生產的一種配備新型冷卻系統的CBN(PCBN)刀具進行試驗研究，這種刀具是在車刀上部的方盒內儲存液氮，由進口輸入，從出口流出。試驗表明，液氮冷卻時，車刀切削壽命延長10倍，磨損降低1/4，并可獲得較小的表面粗糙度。
    還有一種特殊的間接利用方法為噴氣冷卻。日本一些學者研制出噴氣冷卻系統，系統使用的冷卻氣體是由液氮在熱交換器中冷卻過的，其溫度低于-50℃。冷卻氣體直接噴射于磨削點。實驗發現磨削后工件材料的殘余壓應力比使用磨削液磨削要大，而且殘余壓應力的分布區域也變寬了。而殘余壓應力可提高零件的抗疲勞壽命，對一些零件，如飛機零件等十分重要。采用固體潤滑劑處理過的CBN砂輪，或加工中添加極少量(10l/h)的超精植物油，可在加工中起到較好的潤滑作用。
三、結論
    利用一些鋼鐵材料的低溫脆性，進行液氮低溫切磨削加工，可提高其切削加工性，提高加工質量。
    把液氮作為切削液直接應用，可顯著降低切削溫度，提高加工精度和表面質量，延長刀具(砂輪)使用壽命，液氮是一種未來切磨削加工中比較有效和經濟的切削液替代品。
    使用液氮冷卻低溫(超低溫)加工，解決了一些難加工金屬材料、非金屬材料和復合材料的難加工問題。
    利用液氮冷卻切磨削加工時，需使用一些潤滑劑解決切屑形成過程中潤滑性差的問題；同時工件上新生的金屬表面具有極強的化學活性，暴露在空氣中均會很快生銹，因此，還需使用一些防銹劑來防止工件、機床生銹。