气体冷却剂 液氮在超低温加工中的应用

      超低温加工是使工件、刀具以及切削区都处于超低温冷却状态进行切削加工的方法，这样可以有效降低切削温度，减小切削力，并且延长刀具的使用寿命。在超低温加工中，液氮始终重要的冷却剂，它不仅有效而且来源丰富，甚至不需要特意制造——液氮是制氧工业的副产品。另外，液氮还具有绿色无污染的优势，是一种比较理想的切削液替代品。液氮冷却有直接和间接两种不同的应用方法。

      液氮冷却的直接应用

      将液氮作为切削液直接喷射到加工区域，这种方法是液氮冷却的直接应用。这种应用的案例很多，比如用液氮冷却辅助金刚石刀具对不锈钢材料进行车削，辅助磨床对刚才进行磨削，对复合材料进行切削等等。

      金刚石刀具是由碳原子组成的，这种材料在高温环境中容易跟黑色金属发生反应，造成金刚石碳原子的扩散和石墨化，影响刀具寿命，因此一直以来被认为并不适合用于黑色金属的加工。但是经过液氮的冷却，不仅有效抑制了碳原子的扩散和石墨化，还大大降低了刀具磨损，并得到了良好的加工精度及表面粗糙度，粗糙度值可以达到25微米左右。

      磨削加工往往会产生大量的磨削热，导致工件表面发生烧伤、出现裂纹等。最近，科学家发现，只要正确使用液氮冷却剂，就可以有效控制磨削区的温度，避免给加工材料造成损伤。而且研究还发现，在材料塑性增大和进给量较大的情况下，保护效果会更加明显。

      对于非金属材料和复合材料的液氮冷却切削加工方法，国外也已经开展了深入的研究。比如FRP就是一种高强度、高重量比、耐疲劳的复合材料，用传统切削方法加工起来非常困难，因此对这种材料的使用推广造成了很大的负面作用。近期，新西兰的以为学者尝试用液氮不间断地对加工中的FRP进行冷却，使用剂量达到了每分钟0.4到0.5升。最终的结果是，加工质量令人满意，刀具也得到了很好的保护。不只是FRP，还有其他采用低温切削的材料，比如热固性塑料、合成树脂、石墨、橡胶和玻璃纤维等，也在液氮的辅助下，显示出了良好的切削性能。

      液氮冷却的间接应用

      在切削过程中不断地对刀具进行冷却，将切削产生的热量从刀尖处带走，使刀具始终保持在超低温的状态，这就是液氮冷却的间接应用。

      美国林肯大学的学者就利用一种配备了新型冷却系统的PCBN刀具进行了切削试验。结果证实，这种将液氮储存在车刀上部的方盒内，并由进口输人、出口流出进行冷却的刀具，寿命是普通车刀的10倍，而磨损则降低了25%，不仅如此，其加工出的表面粗糙度也低于普通车刀。

      另外一种特殊的间接应用方法就是喷气冷却法，这是由日本的一些学者研发出来的冷却方式。这种冷却系统并不是直接使用液氮作用于刀具或者是加工区域，而是将被液氮在热交换器中冷却到零下50摄氏度以下的气体喷射到磨削点。这样磨削出的工件，其残余压应力比使用磨削液磨削时要大一些，残余压应力的分布区域也更宽。残余压应力可以提高零件的抗疲劳寿命，这对某些种类的零件，例如航空航天设备零件等，是十分重要的。