難加工材料綠色切削技術(shù)與CO2增效工藝

闡述幾類綠色切削技術(shù)的基本原理及其在難加工材料加工中的應(yīng)用，介紹二氧化碳微量潤(rùn)滑增效工藝，為發(fā)展綠色切削新工藝、提升微量潤(rùn)滑效能和改善難加工材料加工質(zhì)量提供理論支撐和科學(xué)指導(dǎo)。1序言高強(qiáng)鋼、高溫合金及鈦合金等難加工材料通常具有高強(qiáng)度、抗腐蝕、抗氧化性以及優(yōu)良的高溫性能等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于航空航天、核能和兵器等重要領(lǐng)域的關(guān)鍵裝備中。然而在滿足高性能使用要求的同時(shí)，由于材料的難加工性，會(huì)導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重、壽命降低、切削區(qū)溫度較高、工件表面加工質(zhì)量下降以及產(chǎn)生較大的加工殘余應(yīng)力等一系列問(wèn)題。對(duì)于高端精密裝備與結(jié)構(gòu)部件，表面加工質(zhì)量和殘余應(yīng)力更是直接關(guān)系到后期的使用壽命及可靠性。傳統(tǒng)加工通過(guò)澆注切削液對(duì)刀具和工件表面進(jìn)行冷卻、潤(rùn)滑和清洗，用來(lái)減小切削力和刀具磨損并改善表面質(zhì)量。但是切削液含有礦物油和各類化學(xué)添加劑，大量使用會(huì)導(dǎo)致環(huán)境污染，危害操作人員身體健康，同時(shí)造成資源浪費(fèi)且提高了生產(chǎn)成本。許多國(guó)家已制定相關(guān)環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，明確了切削液限值，我國(guó)也陸續(xù)出臺(tái)了一系列環(huán)保和職業(yè)保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)限制切削液用量。隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展和環(huán)境、安全及健康保護(hù)意識(shí)的加強(qiáng)，綠色制造成為制造業(yè)未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。近些年發(fā)展起來(lái)的干式切削、低溫切削、微量潤(rùn)滑（MinimalQuantityLubrication，MQL）切削以及低溫微量潤(rùn)滑切削等綠色高效加工技術(shù)，有望替代傳統(tǒng)的澆注式加工方式。2綠色切削技術(shù)2.1不含切削液的切削干式切削不使用切削液，因此機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，環(huán)保、成本低。通過(guò)提高切削速度可以改善表面粗糙度，并且對(duì)殘余應(yīng)力和加工硬化程度有一定的改善。但是由于缺少冷卻和潤(rùn)滑，切削溫度較高，切削力較大，排屑不暢，不易保證表面加工質(zhì)量，并且存在較大的殘余應(yīng)力。低溫切削技術(shù)是在加工過(guò)程中加入冷源以降低加工區(qū)溫度，局部的深冷可使工件材料冷脆，促進(jìn)切屑的分離，進(jìn)而達(dá)到改善加工質(zhì)量，減少刀具擴(kuò)散磨損的目的。低溫加工現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。圖1低溫加工現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明：①使用液氮冷卻切削可顯著降低高溫合金和鈦合金的切削溫度，改善切削變形區(qū)的應(yīng)力分布。②使用低溫壓縮空氣作為冷源能顯著提高刀具壽命，并且隨著切削速度的提高，刀具壽命顯著提高。使用高壓低溫空氣射流，通過(guò)強(qiáng)化冷卻和減小刀屑接觸長(zhǎng)度，可降低切削溫度，抑制干切削時(shí)切削刃的塑性變形。③使用低溫CO2作為冷卻潤(rùn)滑劑在不銹鋼切削、銑削加工中也有較大應(yīng)用潛力。液態(tài)CO2在噴射到加工區(qū)時(shí)產(chǎn)生CO2氣體和微米級(jí)干冰顆粒，除實(shí)現(xiàn)低溫冷卻外，CO2本身也具有一定的潤(rùn)滑性能，相比液氮冷卻可降低切削力，減少刀具磨損，此外還具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境優(yōu)勢(shì)。低溫切削可以有效降低切削溫度，但是由于缺少潤(rùn)滑條件，因此在加工性能提升方面具有一定的局限性。2.2微量潤(rùn)滑切削微量潤(rùn)滑（MQL）技術(shù)是將少量的切削液與壓縮氣體混合后，通過(guò)噴嘴霧化成微米級(jí)液滴油霧，噴射到加工區(qū)，實(shí)現(xiàn)刀具和加工面的潤(rùn)滑。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在MQL技術(shù)的潤(rùn)滑機(jī)理、刀具磨損及壽命、MQL工藝參數(shù)優(yōu)化以及各類難加工材料加工性能等方面進(jìn)行了大量研究。大多數(shù)試驗(yàn)研究表明，MQL技術(shù)具有切削液用量少、減少刀具-切削面摩擦、降低切削力和延緩刀具磨損等優(yōu)勢(shì)。然而在一些工況下，MQL技術(shù)存在冷卻性能不佳、切削溫度較高甚至潤(rùn)滑油膜破裂和潤(rùn)滑失效等問(wèn)題。如果能將低溫切削和MQL技術(shù)的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，既保證足夠的冷卻性能，又能有效利用潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑特性，那么將大幅改善難加工材料的加工狀態(tài)。低溫微量潤(rùn)滑技術(shù)就是這兩種綠色加工技術(shù)的結(jié)合。低溫冷源的介入，一方面用于降低切削溫度；另一方面用于防止?jié)櫥瑒┮蚋邷厥?。常用的冷源有低溫冷風(fēng)、低溫液氮、液態(tài)/超臨界CO2。國(guó)內(nèi)在低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑技術(shù)方面的研究較多，與傳統(tǒng)切削相比，該技術(shù)能有效降低切削溫度，減少刀具磨損，改善加工硬化現(xiàn)象。但是該技術(shù)冷卻能力有限，有時(shí)難以滿足難加工材料高效切削的要求；液氮低溫微量潤(rùn)滑技術(shù)在冷卻方面效果最佳，但過(guò)低的溫度容易引起材料的低溫脆性和硬化，導(dǎo)致加工表面惡化、潤(rùn)滑劑失效，并且在減小刀具磨損方面與傳統(tǒng)澆注式切削相比存在一定的差距。此外，液氮冷卻工藝需要集成較為復(fù)雜的液氮射流系統(tǒng)和工藝裝備，液氮儲(chǔ)存和運(yùn)輸成本也相對(duì)較高，國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究一直未能深入。3超臨界二氧化碳微量潤(rùn)滑技術(shù)超臨界二氧化碳（SupercriticalCarbonDioxide，scCO2）是目前公認(rèn)的環(huán)境友好的“綠色溶劑”，其臨界條件溫和（臨界溫度Tc=31.1℃，臨界壓力pc=7.4MPa），不僅無(wú)毒、廉價(jià)、不易燃、無(wú)污染、容易回收循環(huán)利用，還具有超臨界流體的特性，如密度和溶劑化能力與液體相似，而黏度、擴(kuò)散系數(shù)接近氣體，并且性質(zhì)可通過(guò)溫度和壓力調(diào)節(jié)。scCO2既能作為溶劑溶解潤(rùn)滑油，又可作為冷卻介質(zhì)形成CO2/干冰顆粒/潤(rùn)滑油微液滴的三相射流，輸送到切割、成形區(qū)域的深處，實(shí)現(xiàn)冷卻潤(rùn)滑增效。另外，超臨界二氧化碳微量潤(rùn)滑（scCO2-MQL）技術(shù)不需要設(shè)置單獨(dú)的潤(rùn)滑油霧化裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，還可以單純的CO2/干冰形式進(jìn)行低溫切削。scCO2-MQL技術(shù)的工藝流程如圖2所示。圖2scCO2-MQL技術(shù)的工藝流程1—計(jì)量泵2—切削液儲(chǔ)罐3—噴嘴4—單向閥5—柱塞泵6—冷卻器7—調(diào)節(jié)閥8—CO2氣瓶9—管路10—溫度傳感器11—壓力傳感器與澆注式切削相比，采用scCO2-MQL切削的刀具磨損量小，在同樣的刀具壽命條件下，使用scCO2-MQL切削能提高金屬去除率，并且刀具的磨損由快速溝槽磨損轉(zhuǎn)變?yōu)榫徛脑卵劳菽p；與干式加工相比，使用scCO2-MQL加工可減少材料毛刺的形成；與MQL加工技術(shù)相比，scCO2作為切削液載體，降低了切削溫度、切削力、切屑厚度、刀-屑接觸長(zhǎng)度和比能量，具有更高的加工效率。另外，scCO2-MQL還可以加工傳統(tǒng)MQL方法難以加工的硬質(zhì)合金，是MQL技術(shù)的重要拓展；將scCO2和油膜附水滴（OilsonWater，OoW）技術(shù)結(jié)合，可以利用快速膨脹的scCO2噴霧，將干冰和OoW液滴的混合物輸送到切削區(qū)，對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行冷卻和潤(rùn)滑。與單純scCO2、單純OoW冷卻潤(rùn)滑相比，scCO2-OoW方法降低了切削力，保持了更平穩(wěn)的切削過(guò)程，加工表面質(zhì)量顯著提高。因此，scCO2-MQL在減少刀具磨損、提高加工效率和改善金屬微加工性能方面有著廣泛的應(yīng)用前景。4結(jié)束語(yǔ)將低溫冷源與微量潤(rùn)滑技術(shù)結(jié)合可實(shí)現(xiàn)加工區(qū)的冷卻潤(rùn)滑增效，能顯著改善難加工材料加工性能。該技術(shù)由于減少了切削液用量且顯著提升了切削性能，是一類新興的綠色切削技術(shù)，所以近些年受到學(xué)術(shù)與工業(yè)界的普遍關(guān)注。一些學(xué)者將scCO2作為冷源應(yīng)用于低溫微量潤(rùn)滑切削中，展示出了其優(yōu)越的潤(rùn)滑冷卻效果，使微量潤(rùn)滑技術(shù)在高材料去除率下的加工成為可能，同時(shí)也是“綠色溶劑”與“綠色制造”“可持續(xù)加工”深度融合的重要?jiǎng)?chuàng)新，能在改善難加工材料加工性能、提升制造質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境污染最小化。此外，scCO2無(wú)毒、廉價(jià)，還具有超臨界流體低黏度、