靜電冷卻干式切削技術(shù)
靜電冷卻干式切削技術(shù)
摘要：靜電冷卻干式切削技術(shù)應用氣體放電原理，將壓縮空氣離子化、臭氧化，在切削區域形成特殊環(huán)境，從而實(shí)現冷卻潤滑的一種干式切削方法。本文應用靜電冷卻裝置切削鈦合金，并與切削液冷卻進(jìn)行比較分析。試驗表明：靜電冷卻可達到常規切削的加工效果，是一種很有前途的綠色加工工藝。
關(guān)鍵詞：靜電冷卻;干式切削;鈦合金
1.引言
美國的統計數據顯示，與切削液使用有關(guān)的花費約占總制造費用的16%，是刀具費用的3～4倍。德國汽車(chē)制造業(yè)的調查數據顯示，把切削液和有關(guān)設備費、能耗費、處理費、人工費、維修費、材料費都加在一起達到全部工件加工成本的7%～17%，而全部刀具費用僅為總制造費用的2%～4%。
干式切削技術(shù)是為適應全球日益高漲的環(huán)保要求和可持續發(fā)展戰略而發(fā)展起來(lái)的一項綠色切削加工技術(shù)。目前德國、美國和日本等工業(yè)發(fā)達國家把這項技術(shù)已成功應用到生產(chǎn)領(lǐng)域。干式切削的方法有：高速干式切削、低溫冷風(fēng)切削、液氮冷卻切削等，靜電冷卻干式切削便是其中的一種。
2.靜電冷卻干式切削裝置
2.1.湯森放電理論
氣體中的載流子是離子和電子。由于在正常壓力和溫度下，外界電離因素(熱、光和輻射等)所產(chǎn)生的載流子極少，空氣中1cm3體積中，1秒中僅產(chǎn)生4 ～6對。
無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)，這些載流子會(huì )因復合而消失，當外加極弱電場(chǎng)時(shí)，除一部分載流子仍有復合而消失外，另一部分漂移到電極上而被中和，漂移到電極上的電子與電場(chǎng)強度成正比，此時(shí)氣體內的電流密度正比于電場(chǎng)強度，符合歐姆定律。
進(jìn)一步提高電場(chǎng)強度，這時(shí)電離因素所積累的能量將逐漸增大，當電場(chǎng)強度增加到一定的強度，離子積累的能量大到與氣體分子碰到時(shí)足以使它離解，被碰撞分子離解為正離子和電子。
由于載流子增多，電流不再保持恒定而迅速上升，新形成的離子和電子在電場(chǎng)作用下積累能量，再碰撞分子，產(chǎn)生新一代的載流子。
這樣，整個(gè)電離過(guò)程像雪崩似的發(fā)展下去，載流子數激增，因而氣體內的電流無(wú)限增加。此時(shí)，空氣失去絕緣性能而被擊穿。
2.2. 靜電冷卻裝置
靜電冷卻干式切削的實(shí)質(zhì)在于向切削區域輸送經(jīng)過(guò)放電處理的空氣�？諝饨�(jīng)過(guò)空氣壓縮裝置加壓后以適合的速度通過(guò)靜電冷卻裝置，使空氣離子化、臭氧化。
然后通過(guò)傳輸系統把電離空氣送到切削區，在切削點(diǎn)周?chē)纬商厥鈿怏w氛圍，既降低切削區的溫度，又能在刀具與切屑、刀具與工件接觸面上形成起潤滑作用的氧化薄膜，并使被加工表面呈壓縮應力。
靜電冷卻裝置由供電電源裝置、空氣壓縮裝置、靜電場(chǎng)裝置、電離空氣的傳輸系統、噴嘴等組成。(見(jiàn)圖1)
3.靜電冷卻作用
常規切削加工中，切削液的作用機理有：冷卻作用;潤滑作用;清洗作用;防銹作用。靜電冷卻技術(shù)具有：冷卻作用;潤滑作用;表面鈍化;清潔作用;切屑斷裂和導出等。
3.1.冷卻作用
由于存在帶電離子，經(jīng)過(guò)放電處理的空氣的冷卻作用遠高于普通空氣。向切削區域輸送空氣的溫度介于-10℃～-20℃之間，當空氣流直接冷卻和被加工材料遭受破壞所需要能量減少時(shí)，產(chǎn)生溫度下降 。在溫度下降時(shí)會(huì )出現列賓捷而效應。
3.2.潤滑作用
潤滑作用主要取決于切削過(guò)程中存在臭氧和離子被摩檫表面所吸收并同其化學(xué)鍵結合而形成為邊界薄膜。薄膜厚度介于數百到數千nm之間，其抗剪強度略高于流體動(dòng)力潤滑油，但遠低于金屬。
3.3.表面鈍化
由于物理——化學(xué)等離子體活性組分發(fā)生反應的結果，而切削區域的物理——化學(xué)等離子體是在高溫分解轉化過(guò)程中，在伴隨有氧氣以及存在高剪切應力和外激電子發(fā)射條件下出現的。因為臭氧、氧和各種成分的帶電離子有足夠高的濃度，鈍化過(guò)程可以更高速度進(jìn)行。
3.4.清潔作用
清潔作用是指零件被加工表面和刀具清除切削區域碎屑、碳化物和非金屬夾雜物的能力。靜電冷卻的清潔作用相當顯著(zhù)。
3.5.切屑斷裂和導出
對切屑形成過(guò)程控制，不僅可以通過(guò)改變切削參數和刀具幾何角度來(lái)實(shí)現，也可通過(guò)改變靜電冷卻裝置的工作規范和該裝置的噴嘴對刀具和工件的位置來(lái)實(shí)現。
4.靜電冷卻干式切削鈦合金的試驗及分析
試驗數據
試件：BT20鈦合金(近α鈦合金)
刀具：YD15外圓車(chē)刀
儀器和設備：車(chē)床，靜電冷卻裝置
試驗方法：在同樣的切削參數下，對切削液冷卻和靜電冷卻的試驗數據進(jìn)行分析比較
試驗表明：在靜電冷卻干式切削條件下，選用切削性能先進(jìn)的新型刀具材料，合理的刀具幾何參數和切削用量，對鈦合金的切削加工達到了常規切削。提高了刀具耐用度、生產(chǎn)效率、降低了生產(chǎn)成本。尤其在高速精加工中效果更加明顯。
5.結束語(yǔ)
靜電冷卻技術(shù)從源頭上解決了切削液污染環(huán)境和危害工人健康，又減少了資源和能源消耗的弊端，較好的解決了生態(tài)環(huán)境、技術(shù)與經(jīng)濟間的協(xié)調關(guān)系與可持續發(fā)展。靜電冷卻技術(shù)亦為難加工材料切削技術(shù)的發(fā)展，增添了探索途徑。
參考文獻：
[1] 鮑重光. 靜電技術(shù)原理[M]. 北京： 北京理工大學(xué)出版社，1993
[2] 幺炳唐. 靜電冷卻干切技術(shù)[J]. 制造技術(shù)與機床，2003.1
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