1 引言 切削或磨削加工中使用切削液的主要作用是冷卻和潤滑，為了提高其性能往往都添加含有S（硫）、P（磷）、Cl（氯）等化學(xué)元素的極壓添加劑．這些物質(zhì)污染環(huán)境并對(duì)人體有害、而且使用完了的切削液必須進(jìn)行處理，增加了費(fèi)用。因此，不使用切削液的干式切削和準(zhǔn)干式切削已成為綠色切削工藝的研究熱點(diǎn)，但由于在一定條件下，無任何冷卻措施的干式切削還無法滿足加工要求，還需要對(duì)刀具進(jìn)行一定的冷卻和潤滑，因此出現(xiàn)了風(fēng)冷卻加工技術(shù)。本文重點(diǎn)介紹有關(guān)風(fēng)冷卻的加工技術(shù)及裝置。 2 風(fēng)冷卻加工系統(tǒng) 風(fēng)冷卻系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。一般由壓縮空氣供給源、空氣除濕器、空氣冷卻器、絕熱管、微量供油裝置、風(fēng)嘴、吸塵管和集塵器構(gòu)成。從空氣供給源來的空氣經(jīng)過除濕器將水分除去后，送入空氣冷卻器冷卻至-30℃ ，再經(jīng)絕熱管由風(fēng)嘴將冷風(fēng)送至切削部位。同時(shí)向加工點(diǎn)噴少量的無害植物油，以防銹并且有一定潤滑作用。在風(fēng)嘴的對(duì)面設(shè)有集塵裝置以收集廢屑和風(fēng)塵，通過集塵器內(nèi)的過濾器將切屑濾去。 3 空氣的冷卻方法及要求 制冷的方法有很多，常見的制冷原理可歸結(jié)為4種：液體汽化制冷、氣體膨脹制冷、渦流管制冷和熱點(diǎn)制冷。原則上講這些制冷方式都可用于空氣的冷卻。但目前作為切削用冷卻空氣的方法有使用液體氮等低沸點(diǎn)介質(zhì)的間接冷卻方式、使用制冷劑的壓縮機(jī)循環(huán)間接制冷方式、利用壓縮空氣的絕熱膨脹直接制冷方式和渦流管的制冷方式等。 1） 使用低沸點(diǎn)介質(zhì)的間接冷卻 圖2為使用低沸點(diǎn)介質(zhì)的間接冷卻方式的原理圖。這種制冷方式使用氮等對(duì)人體無害、無環(huán)境污染的低沸點(diǎn)氣體，可在有關(guān)工廠液化，再加入風(fēng)冷卻系統(tǒng)中，在常溫常壓下蒸發(fā)吸熱，使空氣冷卻。 此種冷卻方式由于液氮是在外部液化的，在系統(tǒng)內(nèi)部僅存在和空氣的熱交換，因此冷卻部分的結(jié)構(gòu)簡單。另外，液氮的汽化溫度是-180℃ ，因此可將空氣冷卻到-100 ℃ 以下，溫度可由液氮的流量控制，過冷時(shí)可通過加熱器加熱。但采用此種方式進(jìn)行連續(xù)實(shí)際切削時(shí)需要大容量的儲(chǔ)液器，因此不太實(shí)用。另外，由于液氮等低沸點(diǎn)液體在外部制備，因而加大了整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行成本。 2） 循環(huán)壓縮式間接制冷 循環(huán)壓縮式間接制冷方式如圖3所示。該方式使用低沸點(diǎn)的制冷劑，由壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器和膨脹閥構(gòu)成閉環(huán)冷卻系統(tǒng)。根據(jù)制冷效率和蒸發(fā)溫度選用作為制冷劑的氣體。此種制冷方式廣泛用于家用冰箱及冷凍倉庫，在溫度控制和能耗效率方面都比較理想。 圖3 循環(huán)壓縮式間接制冷方式 經(jīng)蒸發(fā)器蒸發(fā)的氣體由壓縮機(jī)加壓到所定壓力，在冷凝器中液化，儲(chǔ)存到儲(chǔ)液器中，儲(chǔ)液器內(nèi)的高壓液體在設(shè)定壓力以下經(jīng)膨脹閥減壓進(jìn)入蒸發(fā)器，蒸發(fā)吸熱將空氣冷卻，再變成氣體回到壓縮機(jī)，冷風(fēng)溫度可通過蒸發(fā)器內(nèi)的壓力和液體供給量進(jìn)行設(shè)定。 此種制冷方式分為蒸發(fā)溫度（壓力）、冷凝溫度（壓力）；按能耗方式分為單級(jí)壓縮循環(huán)、多級(jí)壓縮二元冷凍循環(huán)等。 3） 空氣絕熱膨脹直接制冷 空氣絕熱膨脹的直接制冷方式如圖4所示：此種制冷方式是利用高壓空氣的絕熱膨脹，降低冷卻氣體本身的溫度，屬于開放型的直接制冷方式。 由空氣壓縮機(jī)或管路來的常溫、高壓空氣進(jìn)入膨脹機(jī)，使其在設(shè)定壓力以下膨脹，通過發(fā)電、外部機(jī)器驅(qū)動(dòng)等消耗空氣的能量使溫度下降。冷風(fēng)出口溫度由進(jìn)入膨脹機(jī)氣源壓力和膨脹機(jī)的出口氣體壓力及膨脹機(jī)的性能決定。目前能產(chǎn)生-90℃ 冷風(fēng)的設(shè)備已經(jīng)實(shí)用化。 4） 渦流管直接制冷 圖5所示為渦流管制冷的原理圖。高壓空氣通過渦流管時(shí)將產(chǎn)生渦旋運(yùn)動(dòng)，由于渦流內(nèi)外氣體存在壓力差（密度差）而產(chǎn)生溫度差．中心部分的氣體為低溫氣體，外側(cè)為高溫氣體。冷風(fēng)的溫度與入口氣體壓力和排出的氣體流量有關(guān)。此制冷方式不需要另外的動(dòng)力，僅用一個(gè)渦流管即可，結(jié)構(gòu)簡單。但由于需有一部分氣體作為熱氣排出，因此，制冷效率要差一些。 1.噴嘴 2.孔板 3.渦流室 4.控制閥 5） 實(shí)施風(fēng)冷卻切削加工對(duì)空氣冷卻系統(tǒng)的要求 實(shí)施風(fēng)冷卻切削技術(shù)的關(guān)鍵要控制好風(fēng)冷卻的4 個(gè)要素：溫度、壓力、流量和方向。無論是哪種制冷方法都應(yīng)滿足以下要求： ·應(yīng)能與一般工廠現(xiàn)有風(fēng)壓配合使用； ·輸送管徑要盡量大，以減少由管路造成的流量損失； ·冷風(fēng)溫度和風(fēng)量應(yīng)可調(diào)； ·冷風(fēng)的輸出應(yīng)能夠暫停； ·要在短時(shí)間內(nèi)使冷風(fēng)溫度達(dá)到要求； ·風(fēng)嘴應(yīng)盡量接近冷卻點(diǎn)，距冷卻點(diǎn)20mm以上時(shí)冷風(fēng)溫度上升較多 上述4種制冷方法的比較如下表所示。目前日本應(yīng)用最多，并且壓縮機(jī)循環(huán)制冷方式已達(dá)到商品化。 4 風(fēng)冷卻切削的優(yōu)缺點(diǎn)及研究方向 風(fēng)冷卻切削的優(yōu)點(diǎn)：因不使用切削液，因此，不產(chǎn)生Cl、S、P等元素，無化學(xué)污染，有利于環(huán)保：節(jié)約了切削液的購入費(fèi)用及其相關(guān)的設(shè)備費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用；不需要處理切削液，防止了地球暖化，節(jié)省了處理費(fèi)用；不使用切削液而節(jié)省了地球資源；由于不使用切削液其切屑可以直接利用。 但風(fēng)冷卻切削目前也存在以下問題：切屑收集問題；純風(fēng)冷卻時(shí)刀具的潤滑問題；已加工工件的防銹問題；冷風(fēng)的噪聲問題； 目前風(fēng)冷卻切削研究的主要方向有：提高冷卻性、減少冷卻空氣量；降低風(fēng)嘴的噪聲：開發(fā)潤滑性好的刀具；研究高效的切屑收集方法。 本文作者:哈爾濱理工大學(xué) 劉獻(xiàn)禮 大連理工大學(xué) 文東輝 深圳怡安實(shí)業(yè)有限公司 鐘佳