内冷却低温加工新技术

在MAG的低温加工系统中，温度为-196℃的液氮通过主轴、刀柄和刀体内部的管道流动，然后通过在切削刀片中用放电加工方式加工的出口，到达距剪切面不到1mm处。

在低温加工系统中，液态二氧化碳和液氮可以作为有效的冷却剂。以前的低温加工系统都是通过管道将超冷液体从外部引到刀具/工件界面处，为了在切削难加工材料时提高切削速度和延长刀具寿命，机床制造商MAG工业自动化系统公司开发了主轴内冷却低温加工新技术。

据MAG公司高级刀具工程师George Georgiou介绍，在MAG的低温加工系统中，温度为-196℃的液氮通过主轴、刀柄和刀体内部的管道流动，然后通过在切削刀片中用放电加工（EDM）方式加工的出口，到达距剪切面不到1mm处。Georgiou说，“低温冷却液对切削时产生的高温具有超强冷却能力，可以防止切削热传入刀具切削刃。”

他补充说，主轴内采用真空管道来绝热，刀柄和刀体（包括安装刀片的刀座）中的管道则采用了一种导热率极低的材料。到达切削点时，最初加注的液氮仍有近50%保持液态。在将切削热从刀具/工件界面处带走后，原来的液体变为气体（其中包含80%的氮气）散入周围的空气中。为了防止局部区域氮气浓度过高，使氧气含量减少，采用了多个传感器监测周围空气中的氮气含量，如果发现环境空气质量不安全，则会暂时关闭液氮流。

MAG公司估计，在低温铣削和镗削时，每个切削刃每分钟大约要消耗0.04升冷却剂；而在低温钻削和攻丝中，冷却剂的消耗量要少一些，因为加工时刀具被包围在工件内。

内冷却低温加工还可以与外部供液的最小量润滑（MQL）技术合并使用，以减小刀具的摩擦与粘附。这是因为，低温加工的目标是减小由切削热引起的刀具磨损，但并不能起到润滑作用，因此需要借助于MQL技术。MQL可以有效防止因刀具过热和软化而造成的磨损加快。

尽管这种低温加工技术仍然处于开发过程中，但据MAG公司介绍，应用该技术铣削蠕墨铸铁（CGI）时，可使硬质合金刀具的切削速度提高60%，使聚晶金刚石（PCD）刀具的切削速度提高3倍。该公司设计副总裁Doug Watts说，“通过外加MQL润滑，可使硬质合金刀具的切削速度提高到原来的3倍，但PCD刀具的切削速度在已提高3倍的基础上未见再提高。这些切削试验重点关注切削速度的提高，而刀具寿命则保持在与采用常规冷却液时相同的水平上。”

Georgiou指出，在使用MQL润滑时，PCD刀具的切削速度没有进一步提高的原因在于，与硬质合金相比，PCD这种超硬材料更不容易磨损，而且能更有效地传热。当以大约100m/min的切削速度加工有色金属材料时，切削热通常会使PCD分解为碳并失效。在低温加工中，金刚石在更高的切削速度下仍能保持其性能稳定。

除了蠕墨铸铁以外，MAG还对钛合金和不锈钢进行了低温加工试验。Georgiou说，“今后在航空制造业将会有大规模的资金投入。作为使用越来越多的航空材料，钛合金不仅切削性不好，而且传热性也很差，但我们用低温技术加工获得了非常不错的结果。”

MAG公司计划，在其机床上提供商品化低温加工主轴之前，将在IMTS展览会上展示这项技术，并向其合作伙伴和用户提供用于改造机床的低温加工旋转组件，使他们可以比较低温加工与常规加工系统的使用效果。

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