六、液氮冷却切削技术（一）液氮冷却切削技术的特点

液氮冷却切削是使用低沸点（-196℃）介质，在压力作用下，利用液氮特性将氮气发生装置所生成的氮气以液氮形式送入切削点，代替大量油剂的切削方法。这种干式冷却除能冷却刀具、快速断屑和延长刀具寿命外，还具有干切削加工所具有的众多经济、技术和生态效益。液氮冷却加工如图9-6所示。

液氮冷却的低温切削主要有两种方式：其一是在一定压力下将液氮罐中的液氮直接浇注到切削区；其二是以液氮受热蒸发循环来间接冷却刀具或工件。利用液氮作冷却液进行超低温切削时，超低温流体会在切削区形成局部低温状态，在此状态下利用工件材料的低温脆性，使其塑性、韧性降低，从而完成切屑和工件的分离，同时能够保证刀具在低温状态下切削，减少刀具的磨损，改善工件的加工精度。采用液氮冷却的优势：

（1）保证精确的尺寸公差。利用液氮可以去除切削过程中产生的热，使加工中的工件保持恒温。工件保持恒温可以保障恒定的切削条件，有效地降低切削温度和减少钛和刀具材料之间的化学亲和力，抑制切削区温升和刀具磨损速度，从而保证精确的尺寸公差。

（2）提高刀具的使用寿命。液态氮还将刀具保持在极冷状态，低温冷冻改变了陶瓷刀具的特征，使它们变得强度更高、硬度更高、韧性更大。陶瓷刀具的低温制冷还可以对那些淬硬材料进行断续切割。

（3）改善加工表面质量。冷的氮气可以淬冷工件，进而提高工件表面硬度。采用液氮冷却，应考虑以下技术要点：挥发的氮气与工件、刀具之间会形成气体分界层，该分界层会阻碍热量的传递，因此需要考虑在液氮中悬置专用固体粒子，结合击打刀具和工件的气体速度，这些粒子会破坏气体分界层，液氮通过可以调整其流速的喷嘴喷到刀具和工件上。

（二）液氮冷却切削技术的应用

由哈挺公司与空气产品及化学物质有限公司(Air Products and Chemicals Inc.)共同开发的液氮冷却车削新工艺ICEFLY，该机床的液氮喷嘴附在刀架转塔上，液氮从储箱中供应。喷嘴将液氮直接喷到刀具前刀面上（见图9-7）。

七、高压冷却切削技术
（一）高压冷却切削技术

所谓高压冷却技术是指把冷却液压力升至特定压力后，通过内部冷却液通道，经过喷嘴精准地喷到所需冷却区域从而达到快速冷却的目的。如图9-8所示为高压冷却切削。

运用高压冷却技术的刀具在加工钛合金、锫镍铁合金以及其他耐热合金、不锈钢及合金钢时，刀具寿命、生产率以及对切屑的控制都得到很大的改善。

（1）从冷却效果来看。高压冷却技术是采用高压冷却液精准而足量地直喷至刀片前刀面与切屑之间的切削区域热影响区，从而可以最高限度地带走切削区域的热量，令冷却剂发挥出其最佳性能达到快速冷却的目的。

（2）从控屑能力来看。采用高压冷却加工方式后除了有效降低切削区域的切削热，还使得切屑脆性增加，易于折断，从而获取短小切屑使得切屑不再缠绕在工件周围，加工过程无需再因人工去除长的缠绕屑而频繁停机。冷却液压力的分布以及喷嘴的尺寸会对切屑产生很大的影响。

通过调整射流参数可获得不同的卷屑效果，并使带状屑导向所需的方向成为可能甚至做到改善切屑的长度。同时由于在切削区域形成一个高压水楔，因此还有可能将切屑强行打断，进而降低切屑对加工效果的影响。

（3）从刀具寿命来看。采用高压冷却方式后，冷却液喷口与刀片切削刃距离更近；冷却液能精准直达刀片前刀面与切屑之间的切削区，实现了更佳的切屑控制，对切削刃的冷却更加有效，从而减少了刀具的磨损，延长了刀具寿命。一般情况下，加快切削速度会导致刀具寿命急剧缩短，但是采用高压冷却方式后增加进给量，刀具寿命的缩短就没有那么明显。实验证明，与难加工材料的粗加工与常规冷却液供应的刀具相比其切削速度可提高。即使冷却液压力低至10bar，在对钢、不锈钢、铝合金、钛合金和高温合金等材料进行精加工时，采用高压冷却技术仍可很好地控制切屑，从而带来的更高的加工安全性，可以明显延长刀具寿命（高达50%）。

（二）高压冷却技术的应用

东莞安默琳机械制造技术有限公司生产高压内冷雾化系统（见图9-9），气雾通过机床主轴，经刀具的内孔并由端部喷出，或通过原切削液管由原喷嘴位置喷出，以达到最佳使用效果。

适用于转速不高的数控车床、加工中心、孔加工机床，特别适合配合深孔加工，也适用于外冷刀具的使用场合。

上海顺唯精密机电有限公司生产的型号为SW02-E的数控机床用高压冷却装置，如图9-10所示。

该产品特点为：①通过外置本系统，提高数控机床原有冷却油的压力。②通过高压冷却对被加工零件的冲淋，使缠绕在零件或刀具上的铁屑，被瞬间带走，使零件加工变得更为顺畅。③加速降低切削时被加工零件的表面温度和刀具温度，提高刀具寿命，同时，也保证热变形对零件的影响，保证零件的精度稳定性。④同时可以加快刀具进给及背吃刀量，使生产效率提升30%，降低零件制造成本，提升企业竞争实力。⑤高效、低成本的附件装置，任何数控设备都能安装。⑥采用免拆卸清洗技术，在对系统进行维护的时间大幅缩短，减低维护时间，从而减少停机时间。⑦采用高效的齿轮泵，让系统喷射的高压在70～138bar间调节。

八、激光加热辅助切削

随着航空航天工业、兵器工业、机械工业的发展，对产品零部件材料的性能有了更高要求，同时也出现了各种高强度、高硬度、高脆性的工程材料，材料性能提高的同时给加工带来了困难，例如高温合金在高温下具有优良的热强度、热稳定及热疲劳性能，采用常规切削方法刀具磨损严重，表面质量差，工程陶瓷硬度高、耐磨损、抗腐蚀，目前通常采用磨削加工，生产效率低，成本高，砂轮损耗大。

（一）激光加热辅助切削技术特点

LAM（加热辅助切削）技术是将高功率激光束聚焦在切削刃前的工件表面。将工件局部加热到很高的温度，在材料被切除前的短时间内，切削性能发生改变，之后采用刀具进行加工。通过对材料加热，提高材料的塑性，使屈服强度降低到断裂强度以下，降低切削力，减小刀具磨损，防止切削振颤，从而达到提高加工效率，降低成本，提升加工表面质量的目的，其原理和装置如图9-11和图9-12所示。

激光的特点是相干性好，聚焦性强，功率密度高，是适合LAM的理想热源，选择合适的激光器与激光参数，对LAM加工至关重要，在早期的研究中，功率大，技术成熟的二氧化碳激光器是主要的光源，但是由于金属材料对二氧化碳激光的吸收率比较低，导致其经济性差，随着激光技术的发展，激光器功率提高，设备的成本降低，尤其工程陶瓷材料的应用，激光加热效率显著提高。陶瓷材料对二氧化碳激光的吸收率可达85%以上，因此加工陶瓷等非金属材料通常选用二氧化碳激光作为光源，与二氧化碳激光器相比，YAG激光器输出波长短，有利于金属材料对激光的吸收，而且适于光纤传导，光学传输部分得到简化，能够方便的与传统机床集成，逐渐替代了二氧化碳光源。

高功率半导体激光器（high power diode laser，HPDL）具有波长小，金属材料吸收率高的优点，并且电-光能的转化效率高，运行费用少，冷却系统要求低，激光头与外围设备的体积大大减小，更适用于LAM技术的工业应用。

车削是主要的激光加热辅助加工方式，车削时车刀相对机床是静止的，激光与车床整合相对容易，通过调整光纤头与反射镜的位置可以改变激光光斑直径、激光入射角、激光与刀具之间的距离。与加热辅助车削相比，辅助铣削方面的研究较少，首先，铣削是一个间歇切削过程，铣削加工过程复杂，影响因素多，容易引起刀具损坏；另外一方面。由于铣刀在加工过程中是旋转的，切削层的位置是周期变化的，因此将激光束与铣床结合相对困难。

激光加热辅助加工不只局限于车削、铣削，许多学者还将其他加工方式与激光加热辅助相结合，如 刨削、磨削、钻削以及抛光等加工方式。

激光辅助切削高温合金取得了明显成效。难加工材料，如Inconel718的常规切削速度只有12～30m/min，而采用激光辅助加热切削，其速度可以达到500m/min。采用激光加热切削时，切削力与常规相比可下降30%～60%。刀具寿命延长2～10倍。激光辅助加热切削使切屑形态发生转变，高硬度材料的切屑由脆性断裂变为连续状，加工件的表面质量也得到改善。

常温下热压氮化硅陶瓷材料的硬度很高，其加工方法只有磨削，加工成本占产品总成本的60%～95%。在激光加热下，氮化硅的硬度不断下降，在1300℃左右性能发生明显转变，此时可以用切削代替磨削，其切削速度可达90m/min，进给速度可达8mm/min。

（二）激光加热辅助切削技术的应用

美国AmeriChip国际公司开发了一种新的激光辅助切屑控制技术，可以完全消除会给加工过程造成麻烦的长带状切屑，从而能够缩短加工时间达70%，降低加工成本达60%。AmeriChip的激光辅助切屑控制系统是一个独立装置，它利用一束激光在工件材料表面刻划出一道窄槽，当该处材料被加工时，就会以细小切屑的形态被切离，而不会形成长带状切屑。这道激光刻划的窄槽实际上消除了与切屑有关的所有麻烦。

九、微量润滑切削技术

微量润滑切削，是指在切削加工过程中，将极少量的润滑油（通常小于100mL/h）以油雾的方式喷射到刀具与工件接触区域，减小已加工表面与刀具的摩擦并降低加工温度。该润滑方式结合了干切削和浇注润滑的优点，既实现了润滑效果，又减少了润滑油用量。近年来，微量润滑已广泛应用于车削、铣削、钻削、磨削与开槽等各种加工方式。

（一）微量润滑切削的特点

为了充分发挥MQL的应用优势，寻求经济、环保和加工性能三方面的应用最佳平衡点，必须全面研究影响MQL应用性能的各种因素。MQL切削加工工艺系统受到大量影响因素的交互作用，工艺模型异常复杂。不同工艺、不同刀具、不同工件材料和不同MQL工艺系统设置（包括油雾供给和混合方式、油雾供给方向、喷嘴距离、润滑油性质、润滑油用量及压缩空气压力等）所表现出的切削加工性能有非常明显的差异。如图9-13为MQL油雾与空气混合装置。

润滑油雾的喷射位置也是影响微量润滑效果的重要因素。喷射位置有两种：前刀面或者后刀面。前刀面微量润滑通过改善切屑与刀具的接触面润滑条件提高刀具寿命；后刀面微量润滑通过改善过渡表面和已加工表面与刀具的接触面润滑条件减小刀具磨损，并提高已加工表面质量。经文献研究表明，后刀面微量润滑可以更有效地提高刀具寿命和改善表面粗糙度，喷嘴方向设定为基本平行于后刀面，以利于润滑液对后刀面进行润滑。喷嘴距离后刀面20mm，在此距离时，可以保证喷嘴不会与加工工件发行干涉，且喷雾可以充分覆盖整个切削区域，喷嘴的安装设置见图9-14，喷嘴与后刀面的位置关系见图9-15。

表9-1列举出了MQL切削加工性能的主要影响因素以及对应的影响方式与程度。从表中可以看出，对MQL切削加工性能影响程度最大的因素为润滑油的化学成分、润滑油用量、压缩空气压力以及工件材料的硬度。

由此可见，MQL工艺系统对切削加工性能的影响最大，其次是加工条件，如工件材料、刀具系统以及切削参数等。