静电冷却干式切削技术

时间：2022-10-07 13:15:29 硕士毕业论文我要投稿

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静电冷却干式切削技术

　　静电冷却干式切削技术

　　摘要：静电冷却干式切削技术应用气体放电原理，将压缩空气离子化、臭氧化，在切削区域形成特殊环境，从而实现冷却润滑的一种干式切削方法。本文应用静电冷却装置切削钛合金，并与切削液冷却进行比较分析。试验表明：静电冷却可达到常规切削的加工效果，是一种很有前途的绿色加工工艺。

　　关键词：静电冷却;干式切削;钛合金

　　1.引言

　　美国的统计数据显示，与切削液使用有关的花费约占总制造费用的16%，是刀具费用的3～4倍。德国汽车制造业的调查数据显示，把切削液和有关设备费、能耗费、处理费、人工费、维修费、材料费都加在一起达到全部工件加工成本的7%～17%，而全部刀具费用仅为总制造费用的2%～4%。

　　干式切削技术是为适应全球日益高涨的环保要求和可持续发展战略而发展起来的一项绿色切削加工技术。目前德国、美国和日本等工业发达国家把这项技术已成功应用到生产领域。干式切削的方法有：高速干式切削、低温冷风切削、液氮冷却切削等，静电冷却干式切削便是其中的一种。

　　2.静电冷却干式切削装置

　　2.1.汤森放电理论

　　气体中的载流子是离子和电子。由于在正常压力和温度下，外界电离因素(热、光和辐射等)所产生的载流子极少，空气中1cm3体积中，1秒中仅产生4 ～6对。

　　无外加电场时，这些载流子会因复合而消失，当外加极弱电场时，除一部分载流子仍有复合而消失外，另一部分漂移到电极上而被中和，漂移到电极上的电子与电场强度成正比，此时气体内的电流密度正比于电场强度，符合欧姆定律。

　　进一步提高电场强度，这时电离因素所积累的能量将逐渐增大，当电场强度增加到一定的强度，离子积累的能量大到与气体分子碰到时足以使它离解，被碰撞分子离解为正离子和电子。

　　由于载流子增多，电流不再保持恒定而迅速上升，新形成的离子和电子在电场作用下积累能量，再碰撞分子，产生新一代的载流子。

　　这样，整个电离过程像雪崩似的发展下去，载流子数激增，因而气体内的电流无限增加。此时，空气失去绝缘性能而被击穿。

　　2.2. 静电冷却装置

　　静电冷却干式切削的实质在于向切削区域输送经过放电处理的空气。空气经过空气压缩装置加压后以适合的速度通过静电冷却装置，使空气离子化、臭氧化。

　　然后通过传输系统把电离空气送到切削区，在切削点周围形成特殊气体氛围，既降低切削区的温度，又能在刀具与切屑、刀具与工件接触面上形成起润滑作用的氧化薄膜，并使被加工表面呈压缩应力。

　　静电冷却装置由供电电源装置、空气压缩装置、静电场装置、电离空气的传输系统、喷嘴等组成。(见图1)

　　3.静电冷却作用

　　常规切削加工中，切削液的作用机理有：冷却作用;润滑作用;清洗作用;防锈作用。静电冷却技术具有：冷却作用;润滑作用;表面钝化;清洁作用;切屑断裂和导出等。

　　3.1.冷却作用

　　由于存在带电离子，经过放电处理的空气的冷却作用远高于普通空气。向切削区域输送空气的温度介于-10℃～-20℃之间，当空气流直接冷却和被加工材料遭受破坏所需要能量减少时，产生温度下降。在温度下降时会出现列宾捷而效应。

　　3.2.润滑作用

　　润滑作用主要取决于切削过程中存在臭氧和离子被摩檫表面所吸收并同其化学键结合而形成为边界薄膜。薄膜厚度介于数百到数千nm之间，其抗剪强度略高于流体动力润滑油，但远低于金属。

　　3.3.表面钝化

　　由于物理——化学等离子体活性组分发生反应的结果，而切削区域的物理——化学等离子体是在高温分解转化过程中，在伴随有氧气以及存在高剪切应力和外激电子发射条件下出现的。因为臭氧、氧和各种成分的带电离子有足够高的浓度，钝化过程可以更高速度进行。

　　3.4.清洁作用

　　清洁作用是指零件被加工表面和刀具清除切削区域碎屑、碳化物和非金属夹杂物的能力。静电冷却的清洁作用相当显著。

　　3.5.切屑断裂和导出

　　对切屑形成过程控制，不仅可以通过改变切削参数和刀具几何角度来实现，也可通过改变静电冷却装置的工作规范和该装置的喷嘴对刀具和工件的位置来实现。

　　4.静电冷却干式切削钛合金的试验及分析

　　试验数据

　　试件：BT20钛合金(近α钛合金)

　　刀具：YD15外圆车刀

　　仪器和设备：车床，静电冷却装置

　　试验方法：在同样的切削参数下，对切削液冷却和静电冷却的试验数据进行分析比较

　　试验表明：在静电冷却干式切削条件下，选用切削性能先进的新型刀具材料，合理的刀具几何参数和切削用量，对钛合金的切削加工达到了常规切削。提高了刀具耐用度、生产效率、降低了生产成本。尤其在高速精加工中效果更加明显。

　　5.结束语

　　静电冷却技术从源头上解决了切削液污染环境和危害工人健康，又减少了资源和能源消耗的弊端，较好的解决了生态环境、技术与经济间的协调关系与可持续发展。静电冷却技术亦为难加工材料切削技术的发展，增添了探索途径。

　　参考文献：

　　[1] 鲍重光. 静电技术原理[M]. 北京：北京理工大学出版社，1993

　　[2] 幺炳唐. 静电冷却干切技术[J]. 制造技术与机床，2003.1

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