難加工材料綠色切削技術與CO,增效工藝
1、序言
高強鋼、高溫合金及鈦合金等難加工材料通常具有高強度、抗腐蝕、抗氧化性以及優良的高溫性能等優勢，被廣泛應用于時空航天、核能和兵器等重要領域的關鍵裝備中。然而在滿足意性能使用要求的同時，由于材料的難加工性，會導致刀具磨損嚴重、壽命降低、切削區溫度較高、工件表面加工質量下降以及產生較大的加工殘余應力等一系列問題。 對于高端精密裝備與結構部件，表面加工質量和殘余應力更是直接關系到后期的使用壽命及可靠性。
2、綠色切削技術
2.1不含切削液的切削
干式切削不使用切削液，因此機床結構簡單，環保、 成本低。通過提高切削速度可J以改善表面粗糙度，并且對殘余應力和加工硬化程度有一定的改善。但是由于缺少冷卻和潤滑，切削溫度較高，即助力較大，排屑不暢，不易保證表面加工質量，并且存在較大的殘余應力。低溫切削技術是在加工過程中加入冷源以降低加工區溫度，局部的深冷可使工件材料冷脆，促進切屑的分離，進而達到改善加工質量，減少刀具擴散磨損的目的。
試驗表明:①使用液氮i冷卻切削可顯著多降低高溫合金札金和鈦合金的切削溫度，改善切削變形區的應力分布。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，通過強化冷卻和減小刀屑接觸長度，可降低切削溫度，抑制干切削時切削刃的塑性變形。③使用低溫CO2作為冷卻潤滑劑在不銹鋼切削、鐵削加工中也有較大應用潛力。液態CO2在噴射到加工區時產生CO2氣體和微米級干冰顆粒，除實現低溫冷卻外，CO2本身也具有一定的潤滑性能， 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濟效益和環境優勢。低溫切削可以有效降低切削溫度，但是由于缺少潤滑條件，因此在加工性能提升方面具有一定的局限性。
2.2微量潤滑切削
微量潤滑(MQL)技術是將少量的切削液與壓縮氣體混合后，通過噴嘴霧化成微米級液滴油霧，噴射到加工區，實現刀具和加工面的潤滑。近些年來，國內外學者在MQL技術的潤滑機理、刀具磨損及壽命、MQL工藝參數優化以及各類難加工材料加工性能等方面進行了大量研究。大多數試驗研究表明，MQL技術具有切削液用量少、減少刀具-切削面摩擦、降低切削力和延緩刀具磨損等優勢。然而在- -些工況下，MQL技術存在冷卻性能不佳、切削溫度較高甚至潤滑油膜破裂和潤滑失效等問題。如果能將低溫切削和MQL技術的優勢相結合，既保證足夠的冷卻性能，又能有效利用潤滑劑的潤滑特性，那么將大幅改善難加工材料的加工狀態。低溫微量潤滑技術就是這兩種綠色加工技術的結合。低溫冷源的介入，一 -方面用于降低切削溫度;另一方面用于防止潤滑劑因高溫失效。常用的冷源有低溫冷風、低溫液氮、液態/超臨界CO2。國內在低溫冷風微量潤滑技術方面的研究較多，與傳統切削相比，該技術能有效降低切削溫度，減少刀具磨損，改善加工硬化現象。但是該技術冷卻能力有限，有時難以滿足難加工材料高效切削的要求;液氮低溫微量潤滑技術在冷卻方面效果最佳，但過低的溫度容易引起材料的低溫脆性和硬化，導致加工表面惡化、潤滑劑失效，并且在減小刀具磨損方面與傳統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雜的液氮射流系統和工藝裝備，液氮儲存和運輸成本也相對較高，國內相關的研究-直末能深入。
3、超臨界二氧化碳微量潤滑技術
超臨界二氧化碳(SupercriticalCarbon Dioxide, scCO2) 是目前公認的環境友好的“綠色溶劑”，其臨界條件溫和(臨界溫度Tc=31.1°C，臨界壓力pc=7 4MPa )不僅無毒、廉價、不易燃、無污染、容易回收循環利用，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、擴散系數接近氣體，并且性質可通過溫度和壓力調節。scCO2既能作為溶劑溶解潤滑油，又可作為冷卻介質形成CO2/干冰顆粒I潤滑油微液滴的三相射流，輸送到切割、成形區域的深處，實現冷卻潤滑增效。另外，超臨界二氧化碳微量潤滑( scCO2-MQL )技術不需要設置單獨的潤滑油霧化裝置，結構簡單，還可以單純的CO2干冰形式進行低溫切削。與澆注式切削相比，采用scCO2MQL切削的刀具磨損量小，在同樣的刀具壽命條件下，使用scCOMQL切削能提高金屬去除率，并且刀具的磨損由快速溝槽|醫損轉變為緩慢的月牙洼磨損;與干式加工相比，使用scOo-MQL加工可減少材料毛刺的形成;與MQL加工技術相出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度和比能量， 具有更高的加工效率。另外，scCO2-MOL還可以加工傳統MQL方法難以加工的硬質合金，是MQL技術的重要拓展;將sCO2和油膜附水滴(Oils onWater,0oW)技術結合，可以利用快速膨脹的scCO2噴霧，將干冰和1OoW液滴的混合物輸送關到切削區，對加工過程進行冷卻和潤滑。與單純scCO2、單純OoW冷卻潤滑相比，scCO2-ooW;方法降低了切削力，保持了更平穩的切削過程，加工表面質量顯著提高。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方面有著廣泛的應用前景。
4、結束語
將低溫冷源微量潤滑技術結合可實現加工區的冷卻潤滑增該技術由于減少了切削液牌能是若改普推加工材樣加工性能。興的綠色切削技術，所以用量且顯著提升了切削性能，是一類新興近些年受到學術與工業界界的普遍關注。一些學者將scCO2作為冷源應用于低溫微量潤滑切削中，展示出了其優越的潤滑冷卻效果，使微量潤滑技術在高材料去除率下的加工成為可能，同時也是“綠色溶劑”與“綠色制造”“可持續加工”深度融合的重要創新，能在改善難加工材料加工性能、提升制造質量和提高生產效率的同時，實現環境污染最小化。此外，scCO2無毒、廉價，還具有超臨界流體低黏度、溶劑能力強以及性質可調的特性，具有較大的開發潛力。scCO2與MQL技術的融臺具有學科交叉屬性，化工、熱力學和機械學科交叉滲秀部分較多，己有的研究主要集中在機械加工方面，以及與其他冷卻潤滑方式之間的比較，scCO2對切削液的溶解特性、執力學行為以及工藝并未得到較大關注，調控方面的基礎研究并未得于收還有待深入探討。
