CN102601677B - 大气压冷等离子体射流辅助切削方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种大气压冷等离子体射流辅助切削方法，利用大气压下产生的冷等离子体射流作为材料切削时的润滑冷却介质。工作气体由工作气体源经减压阀和可调流量计进入冷等离子体射流发生器；调整工作气体流量和高压电源的输出电压，使冷等离子体射流发生器的喷嘴出口喷射出均匀的冷等离子体射流，射流的温度为室温或略高于室温；调整喷射角度，使切削过程中刀-工、刀-屑界面始终浸没在冷等离子体射流之中。等离子体产生形式可以是介质阻挡放电、悬浮电极放电或裸电极放电。本发明是一种绿色切削方法，可对各种金属、非金属的切削过程起到良好的润滑冷却作用，以降低切削力，增加刀具寿命，提高表面质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种对切削加工进行润滑和冷却的方法，属于机械制造的切削工艺技术领域。
背景技术
切削加工时，特别是难加工材料切削时，会产生大量的切削热，从而使切削温度升高、切削力增加，刀具磨损加剧，并影响被加工件的表面质量和尺寸精度。现在常见的切削区冷却润滑的方法主要包含：浇注切削液、微量润滑(MQL)技术、水蒸汽冷却法、低温冷风冷却法及液氮冷却法。浇注切削液方法能够进入切削区真正起润滑和冷却作用的切削液的量很少，切削液在切削区受热后会迅速汽化为″蒸汽膜″，会阻碍新的切削液进入高温切削区，同时，切削液的使用成本较高(约占到切削加工总成本的15-30％)，会影响工人的身体健康，造成环境的严重污染。而水蒸汽冷却法会加速金属材料工件生锈；液氮冷却法成本较高；低温冷风冷却设备复杂；MQL采用气液两相冷却，效果不太理想。
公开号为CN102059350A的发明专利介绍了一种使用干式静电冷却的切削方法，干式静电冷却技术是将经过电晕放电处理的空气流作为切削区润滑冷却介质的绿色加工技术，离子化空气流中的活性粒子在工件表面发生的Rehbinder效应减小了的塑性变形抗力，同时刀-工接触区所形成的边界薄膜和钝化层降低了摩擦力，使切削力大幅度降低，因此，干式静电冷却技术在加工效率、加工质量和刀具耐用度等方面接近甚至超过了使用切削液冷却，并且几乎没有环境污染和健康危害。但干式静电冷却技术中空气的电离程度很低，气流中的活性粒子浓度也较低，无法达到更好的效果。
冷等离子体是作为物质第四态的等离子体中宏观温度较低的一种(宏观温度102～103K，非热力学平衡)，但其中的电子温度和气体温度之比大约为10～100比1，同样富集大量的离子、电子、激发态原子、分子及自由基等活性粒子，因此，易于和所接触的材料表面发生反应。冷等离子体射流是将微小空间内的等离子体放电加以扩大并引出形成的射流状冷等离子体，其击穿电压较低、离子和亚稳态原子浓度较高、电子温度高、中性粒子温度低、产生的等离子体中均匀部分较大、可控性好，方便应用于小范围或局部处理。
将大气压下产生的等离子体射流喷向切削区，使刀-工、刀-屑界面浸没在冷等离子体射流的高浓度活性粒子中，可以起到比干式静电冷却技术更佳的润滑冷却效果。将大气压冷等离子体射流作为切削区的润滑冷却介质的相关研究，至今未见报道。
发明内容
本发明提供了一种使用大气压冷等离子体射流对切削区进行润滑冷却的方法，设备简单、操作容易、使用安全、适应性强，对环境和操作人员没有任何危害，是一种绿色切削方法。
一种大气压冷等离子体射流辅助切削方法，此方法利用大气压下产生的冷等离子体射流，作为材料切削时的润滑冷却介质。使用此方法的设备，包括工作气体源、减压阀、可调流量计、高压电源、冷等离子体射流发生器。
高压电源的输出端通过高压线缆连接冷等离子体射流发生器。
工作气体由工作气体源经减压阀和可调流量计进入冷等离子体射流发生器。
分别调整可调流量计输出流量和高压电源输出电压，使冷等离子体射流发生器的喷嘴出口喷射出均匀的冷等离子体射流，此冷等离子体射流的宏观温度为室温或略高于室温。
调整冷等离子体发生器的位置和方向，使刀具尖端恰好浸没在冷等离子体射流中。此时，开动机床进行切削。开始切削之后，刀-工、刀-屑界面应始终浸没在冷等离子体射流之中。
切削完成后，直接关闭高压电源和减压阀，不需调整冷等离子体射流发生器的位置和角度；下次切削时，直接开启高压电源和减压阀，即可开始切削。
本发明的有益之处在于：大气压冷等离子体射流宏观温度低，其中富集大量的离子、电子、激发态原子、分子及自由基等活性粒子，这些活性粒子可在工件表面发生的Rehbinder效应减小晶体表面的塑性变形抗力，同时刀-工、刀-屑界面所形成的边界薄膜和钝化层可降低摩擦力，从而降低切削力；由于减少了因塑性变形和摩擦而产生的切削热，冷等离子体射流可间接的降低切削区温度，提高已加工表面精度和刀具寿命。本发明可对各种金属、非金属的切削过程起到良好的润滑冷却作用，且设备简单、操作容易、使用安全，对环境和操作人员没有任何危害，是一种绿色切削方法。
附图说明
图1为大气压冷等离子体射流辅助切削的侧视示意图
图2为大气压冷等离子体射流辅助切削的俯视示意图
图3为实施例中不同冷却条件下切削距离达到240米时的后刀面平均磨损宽度。
图4为实施例中不同冷却条件下切削力各个分量的平均值。
图中：1冷等离子体射流发生器，2工件，3刀具，4可调流量计，5减压阀，6工作气体源，7高压电源，8冷等离子体射流。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
本发明涉及一种大气压冷等离子体射流辅助切削方法，使用此方法的设备包括冷等离子体射流发生器1，可调流量计4，减压阀5，工作气体源6，高压电源7。
切削前，按照附图将这些设备分别连接：工作气体由工作气体源6经过减压阀5和可调流量计4进入冷等离子体射流发生器1；高压电源7的高、低压输出端分别与冷等离子体射流发生器1的电极相连；将冷等离子体射流发生器1固定在机床上，使其能与刀具3同步进给；冷等离子体射流发生器1要安装在刀尖附近，并且正对切削区的位置。
打开减压阀5，调整可调流量计4，使工作气体以合适的流量进入冷等离子体射流发生器1中；开启高压电源7，逐渐提高输出电压，直到冷等离子体射流发生器1的出口产生稳定的等离子体射流8；调整冷等离子体射流发生器1的位置和方向，要使切削区刀-工、刀-屑接触界面能够浸没在冷等离子体射流8之中；冷等离子体射流发生器1应处于刀具3上方，已加工表面一侧，并且所处位置不能阻碍切削加工。
此时，即可开始对刀、切削。如断续切削或加工断续表面，冷等离子体射流8可连续工作，中途不必关闭；如切削暂时停止或结束，可直接关闭高压电源和减压阀，不必逐级减小电压和流量，下次加工时，只需将减压阀和高压电源直接开启即可产生冷等离子体射流8。
本发明中，工作气体根据工件2和刀具3的材料的不同以及冷等离子体射流发生器1放电形式的不同，可以选择工作气体是氮气、氧气、惰性气体或以上气体的混合气体。
高压电源7可以选择高压直流电源、高压交流电源、脉冲高压电源，可以是中低频电源，也可以是射频、微波电源。
冷等离子体射流发生器1的放电形式可以有多种，比如裸电极放电、介质阻挡放电、单电极放电、双针悬浮电极放电等形式，无论何种放电形式，均要求产生的冷等离子体射流8稳定、均匀，宏观温度为室温或略高于室温，并且保证冷等离子体射流不会与刀具或工件发生击穿放电。
本发明的大气压冷等离子体射流辅助切削方法，既可以应用于金属零件的切削加工中，也可以应用于非金属材料的切削加工；既可以应用于车削、刨削等单刃切削中，也可以用于与铣削、磨削等多刃切削中。
具体实施例：
以硬质合金刀具车削钛合金为例，使用冷等离子体射流作为冷却润滑介质，可以降低刀具磨损，改善已加工表面质量。
刀具2为钛合金Ti6Al4V棒料，刀具3牌号K05(YG3X)，切削用量为：切削速度80m/min，切深0.5mm，进给速度0.1mm/r。
冷等离子体射流发生器1使用裸电极放电的形式，此类电极产生的冷等离子体射流不会与金属之间发生电弧击穿放电。两电极分别为黄铜材质的喷嘴电极以及碳化钨材质的针电极，两极之间的垂直距离为2.5mm。
高压电源7采用中频正弦波交流电源，输出频率50k～120kHz，输出电压0～10kV，最大功率150W；高压电源7的高压输出端中心连接针电极，低压输出端连接喷嘴电极并且接地。
工作气体采用纯度99.999％的高纯氮气。
工件2和刀具3在安装、夹紧并且对刀之后，将冷等离子体射流发生器1固定于溜板箱上，喷嘴出口距刀-工接触区15mm。
打开减压阀6，调整可调流量计4，使流量达到0.8m3/h；打开高压电源7，调整频率至55kHz，从0开始逐渐增加电源输出电压，直到输出电压峰-峰值大约达到750V左右，即可观察到冷等离子体射流8喷射而出，射流温度和室温相当；继续增大电压，冷等离子体射流8将更加明亮，长度也会更长，但两电极之间出现丝状放电击穿，针电极尖端会因放电烧蚀而变钝，因此，应尽量避免出现丝状放电出现。
进一步调整冷等离子体射流发生器1的方位，如图1和图2所示，使刀具3的尖端完全浸没与冷等离子体射流8之中并且不影响切削的进行。
此时即可开动机床进行切削。冷等离子体射流可以长时间稳定的工作。
图3为不同冷却条件下切削距离240m时的刀具3的后刀面平均磨损宽度，图4为不同冷却条件下切削力三个分量的平均值。可以看出，相比干切削和使用切削液切削，使用大气压冷等离子体射流进行辅助切削时刀具磨损更少，切削力也更低。
加工结束后，直接关闭高压电源5和减压阀7；下次使用时，将减压阀7和高压电源5打开，即可产生稳定的冷等离子体射流，无需再次调整高压电源5的输出电压和工作气体流量。
Claims (4)
1.一种大气压冷等离子体射流辅助切削方法，其特征在于：
（1）工作气体由工作气体源经减压阀和可调流量计进入冷等离子体射流发生器，高压电源的输出端通过高压线缆连接冷等离子体射流发生器；
（2）调整可调流量计的输出流量和高压电源输出电压，使冷等离子体射流发生器的喷嘴出口喷射出均匀的冷等离子体射流，冷等离子体射流温度为室温或高于室温；
（3）调整冷等离子体发生器的位置和方向，使刀具尖端恰好浸没在冷等离子体射流中，开始切削；开始切削之后，刀-工、刀-屑界面始终浸没在冷等离子体射流之中；
（4）切削完成后，直接关闭高压电源和减压阀，不需调整冷等离子体射流发生器的位置和角度；下次切削时，直接开启高压电源和减压阀，开始切削。
2.根据权利要求1所述的一种大气压冷等离子体射流辅助切削方法，其特征在于：刀具和工件的材质是金属或非金属。
3.根据权利要求1所述的一种大气压冷等离子体射流辅助切削方法，其特征在于：工作气体是氮气、氧气、惰性气体或以上气体的混合气体。
4.根据权利要求1所述的一种大气压冷等离子体射流辅助切削方法，其特征在于：大气压冷等离子体射流发生器的等离子体产生形式，是介质阻挡放电或单电极放电或双极悬浮放电或裸电极放电。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |