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冷风发生装置及风冷却切削技术 |
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作者：刘献礼 文东辉 钟佳 |
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1 引言
切削或磨削加工中使用切削液的主要作用是冷却和润滑，为了提高其性能往往都添加含有S(硫)、P(磷)、Cl(氯)等化学元素的极压添加剂．这些物质污染环境并对人体有害、而且使用完了的切削液必须进行处理，增加了费用。因此，不使用切削液的干式切削和准干式切削已成为绿色切削工艺的研究热点，但由于在一定条件下，无任何冷却措施的干式切削还无法满足加工要求，还需要对刀具进行一定的冷却和润滑，因此出现了风冷却加工技术。本文重点介绍有关风冷却的加工技术及装置。
2 风冷却加工系统
风冷却系统的构成如图1所示。一般由压缩空气供给源、空气除湿器、空气冷却器、绝热管、微量供油装置、风嘴、吸尘管和集尘器构成。从空气供给源来的空气经过除湿器将水分除去后，送入空气冷却器冷却至-30℃ ，再经绝热管由风嘴将冷风送至切削部位。同时向加工点喷少量的无害植物油，以防锈并且有一定润滑作用。在风嘴的对面设有集尘装置以收集废屑和风尘，通过集尘器内的过滤器将切屑滤去。
图1 风冷却系统的构成
3 空气的冷却方法及要求
制冷的方法有很多，常见的制冷原理可归结为4种：液体汽化制冷、气体膨胀制冷、涡流管制冷和热点制冷。原则上讲这些制冷方式都可用于空气的冷却。但目前作为切削用冷却空气的方法有使用液体氮等低沸点介质的间接冷却方式、使用制冷剂的压缩机循环间接制冷方式、利用压缩空气的绝热膨胀直接制冷方式和涡流管的制冷方式等。
1) 使用低沸点介质的间接冷却
图2为使用低沸点介质的间接冷却方式的原理图。这种制冷方式使用氮等对人体无害、无环境污染的低沸点气体，可在有关工厂液化，再加入风冷却系统中，在常温常压下蒸发吸热，使空气冷却。
图2 使用低沸点介质的间接冷却方式
此种冷却方式由于液氮是在外部液化的，在系统内部仅存在和空气的热交换，因此冷却部分的结构简单。另外，液氮的汽化温度是-180℃ ，因此可将空气冷却到-100 ℃ 以下，温度可由液氮的流量控制，过冷时可通过加热器加热。但采用此种方式进行连续实际切削时需要大容量的储液器，因此不太实用。另外，由于液氮等低沸点液体在外部制备，因而加大了整个系统的运行成本。
2) 循环压缩式间接制冷
循环压缩式间接制冷方式如图3所示。该方式使用低沸点的制冷剂，由压缩机、蒸发器、冷凝器和膨胀阀构成闭环冷却系统。根据制冷效率和蒸发温度选用作为制冷剂的气体。此种制冷方式广泛用于家用冰箱及冷冻仓库，在温度控制和能耗效率方面都比较理想。
图3 循环压缩式间接制冷方式
经蒸发器蒸发的气体由压缩机加压到所定压力，在冷凝器中液化，储存到储液器中，储液器内的高压液体在设定压力以下经膨胀阀减压进入蒸发器，蒸发吸热将空气冷却，再变成气体回到压缩机，冷风温度可通过蒸发器内的压力和液体供给量进行设定。
此种制冷方式分为蒸发温度(压力)、冷凝温度(压力)；按能耗方式分为单级压缩循环、多级压缩二元冷冻循环等。
3) 空气绝热膨胀直接制冷
空气绝热膨胀的直接制冷方式如图4所示：此种制冷方式是利用高压空气的绝热膨胀，降低冷却气体本身的温度，属于开放型的直接制冷方式。
图4 空气绝热膨帐直接制冷方式
由空气压缩机或管路来的常温、高压空气进入膨胀机，使其在设定压力以下膨胀，通过发电、外部机器驱动等消耗空气的能量使温度下降。冷风出口温度由进入膨胀机气源压力和膨胀机的出口气体压力及膨胀机的性能决定。目前能产生-90℃ 冷风的设备已经实用化。
4) 涡流管直接制冷
图5所示为涡流管制冷的原理图。高压空气通过涡流管时将产生涡旋运动，由于涡流内外气体存在压力差(密度差)而产生温度差．中心部分的气体为低温气体，外侧为高温气体。冷风的温度与入口气体压力和排出的气体流量有关。此制冷方式不需要另外的动力，仅用一个涡流管即可，结构简单。但由于需有一部分气体作为热气排出，因此，制冷效率要差一些。
1.喷嘴 2.孔板 3.涡流室 4.控制阀
图5 涡流管直接制冷方式
5) 实施风冷却切削加工对空气冷却系统的要求
实施风冷却切削技术的关键要控制好风冷却的4 个要素：温度、压力、流量和方向。无论是哪种制冷方法都应满足以下要求：
·应能与一般工厂现有风压配合使用；
·输送管径要尽量大，以减少由管路造成的流量损失；
·冷风温度和风量应可调；
·冷风的输出应能够暂停；
·要在短时间内使冷风温度达到要求；
·风嘴应尽量接近冷却点，距冷却点20mm以上时冷风温度上升较多
上述4种制冷方法的比较如下表所示。目前日本应用最多，并且压缩机循环制冷方式已达到商品化。4种制冷方法的比较表
| 制冷方式 | 装置构成的复杂程度 | 初始成本的大小 | 运行成本的大小 | 制冷温度的可控制性 | 可靠性 | 综合评价 | | 低沸点介质制冷 | 简单 | 低 | 高 | 好 | 最好 | 差 | | 压缩式循环制冷 | 较复杂 | 较高 | 较低 | 最好 | 最好 | 最好 | | 空气循环制冷 | 较简单 | 高 | 低 | 中 | 好 | 好 | | 涡流管制冷 | 简单 | 低 | 较高 | 差 | 最好 | 中 |
4 风冷却切削的优缺点及研究方向
风冷却切削的优点：因不使用切削液，因此，不产生Cl、S、P等元素，无化学污染，有利于环保：节约了切削液的购入费用及其相关的设备费用和维护费用；不需要处理切削液，防止了地球暖化，节省了处理费用；不使用切削液而节省了地球资源；由于不使用切削液其切屑可以直接利用。
但风冷却切削目前也存在以下问题：切屑收集问题；纯风冷却时刀具的润滑问题；已加工工件的防锈问题；冷风的噪声问题；
目前风冷却切削研究的主要方向有：提高冷却性、减少冷却空气量；降低风嘴的噪声：开发润滑性好的刀具；研究高效的切屑收集方法。
本文作者:哈尔滨理工大学 刘献礼 大连理工大学 文东辉 深圳怡安实业有限公司 钟佳(end)
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(3/29/2008) |
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