MAG:400度的不同

图1 从刀具排出的液氮变成了气体。甚至这
个转变过程所产生的作用力也有助于清除切屑

冷冻刀具而不是用冷却液冲洗的低温机加工方法极大幅度地延长了刀具使用寿命

在刀具磨损的发生机制当中，“磨损”本身并不是导致刀具损坏唯一和特别原因。温度才是真正的大敌。

正是由于温度的缘故，一点点的磨损才会导致恶化循环的出现。也就是说，刀刃的轻微磨钝由于会增加刀刃在切削处的摩擦，从而导致机加工产生的热量增加。因此刀具温度变得更高，从而刀具材料发生软化，促进刀刃性能更进一步并更快地劣化。更多的磨钝导致更大的摩擦，如此反复。刀具损坏就在这样一种以热量作为驱动因素的自我加速的曲线下发生了。

事实上，当工件材料本身耐热时，这种现象就特别引人注目。正是这种效应导致诸如钛金属、铬镍铁Inconel合金和蠕墨铸铁（CGI）这样的材料如此难以进行机加工。在这些机加工应用中最需要的条件就是冷却。

图2 利用氮气流经刀具内部实现的这种低温机加工
能力可以整合到其它标准机床内，下图就是其中一例

但可以严肃地说，这种我们称为“冷却液”的液体只能在冷却作用达到有缺陷的成功。液体冷却剂确实能够将热量从机加工过程中带离，但冷却液的带离作用发生在一定距离之外，无法作用于产生热量的实际位置，具体说，就是切屑下方刀具切断金属的位置。而采用从主轴内部输出冷却液的方法尝试着让冷却剂更加靠近这个切削区域，而从刀具夹座内供应冷却液的新技术发展事实上已经让冷却剂非常接近这个区域了。但这些措施通常是有效的，而且经常具有显著的效果。

但是，这些措施的成功还有着更深层次的意义。特别是，这种成功意味着，通过将冷却机构直接布置到切削发生点的方式可以实现甚至更好的刀具性能增强效果。

机床供应商MAG公司相信这种冷却的关键要素是无法在常规冷却剂领域找到，而是应当在刀具本身的吸热能力领域做出发掘。MAG公司努力找寻着增加这种吸热能力的方法。这家公司已经推出了新型低温机加工技术，事实证明这种技术不仅对于各种高难度材料的加工有效，而且目前已经在该公司绝大多数的机加工中心机型上作为工厂安装选配件供应。在各种应用中，特别是涉及钛金属铣削的应用，我们发现低温机加工技术能够极大程度地延长刀具使用寿命，可达10倍之多。

这套系统采用了氮气。使用氮气本身并非新创意，但MAG的专利方法与之前各种方法都不同。其它氮气冷却应用都涉及到将整个加工区域浸没到氮气当中或从外部喷嘴喷射氮气。而最初由研发企业Creare公司开发的MAG方法可以最贴切地想像为“最小量”低温机加工方法。在这种方法中，液氮经由主轴之内流出并以类似于最小量润滑（即MQL）的较低流量流过刀具。但与MQL不同的是，其目的不是润滑，而是冷却。这是一种极度冷却的目的。

图3 本图所示为分别采用冷却液冲流和低温机加工方式进行的
钛金属切削试验期间所测得的刀具寿命差异。MAG公司指出，这
两个特性图之间的区域反映了这两种冷却方法之间的生产率差异

一位与MAG共同工作并参与了低温机加工技术试验和开发的高级刀具工程师George Georgiou表示，这一点是最根本性的特色。他说，这种冷却方式代表了对金属加工用液的极其差异化的思维方式。在较为典型的机加工中，液体用于润滑切削过程和/或冲洗刀具和部件的外表面以带走热量。与之相比，低温机加工中液体的作用是冷冻。冲洗冷却液的温度有可能是+70F。而液氮的温度为-321F，温差接近400F。这样的温度足以将刀具转化成一个散热器。在温度极低的情况下，刀具能够作为一种热量吸收体发挥作用，将机加工过程产生的热量从刀刃处抽走并引入至刀具主体内，从而让刀具的使用寿命和性能不必过早地劣化。

性能差异

MAG近4年来一直在努力开发这种低流量版本的低温机加工技术。许多开发工作一直是与国防航空公司洛克希德.马丁（Lockheed Martin）合作开展的。据MAG低温机加工技术部门业务发展经理Mike Judge表示，目前MAG已能够供应在自己任何一款3轴和4轴机加工中心上输出低温液体的经专门工程设计的主轴，可用于5轴机加工中心的此类主轴也将很快可以供应。nextpage

在该公司这些机加工中心的任意一款中，都可以让来自贮罐的液氮从经由主轴流出并流过经特殊隔热的刀具。MAG还提供从其Cyclo Cut系列标准刀具产品改造出来的刀具。公司表示这一刀具系列中各个型号的刀具都可以用于低温机加工工艺。例如，尽管一直以来绝大多数耐热工件材料都在采用硬质合金刀具，但公司表示，事实证明PCD刀具才是CGI低温机加工的最有效刀具。

图4 这些特性线最终会聚于一点。此图所
示为不锈钢切削试验中所测得的刀具寿命

右侧的图表量化说明了液氮冷却所带来的一些性能上的好处。对于钛金属加工，工作在300in/min（对这种材料是很积极进取的速度）刀具会在采用冲洗冷却液时在1min以后磨损，但在冷冻之后能够可靠地持续工作10min，如上面第一个图所示。在进给速度更快时，相同的刀具能够提供5倍系数的性能增益。Georgiou先生说，这两条性能线之间的区域就反映了这两种冷却方法之间的生产率差异。在这块区域内工作时，转换采用低温机加工方法的冲流冷却液方式，使用者可以选择以同样的刀具使用寿命达到更高的速度，也可以选择在给定速度下达到更长的刀具使用寿命。

避免滑倒

他强调说，这两条特性曲线最终会聚于一点。低温机加工与传统冲流冷却液机加工方法之间的性能差异度在较低速度下是最大的，并随着速度升高而缩窄，并且在非常高的相同速度下消失。在如上图所示的不锈钢材料试验中，在只低于300in/min一点儿的速度下，低温机加工能够提供高出10倍的性能，在不足400in/min的速度下逐渐地缩窄至4倍，而在650in/min左右没有表现出任何性能差异。

图5 这是一套用于评估低温机加工的套件，
其中包括一个带有氮气管路的刀具夹座

MAG表示，即使抛开切削性能差异不谈，还有一些因素是有利于低温机加工方法的。令原先集中关注这些性能提升的MAG团队感到惊奇的一个好处是，低温机加工技术能给员工安全带来如此之大的好处。采用低温机加工之后，遗留覆盖在设备表面上的滑手液体消失不见了。因此，在大型设备应用中，也就是在那些操作人员必须走到机床工作台上的应用之中，操作人员跌倒的风险降低了。

另一组好处与自然环境有关。低温机加工技术不再使用用于冷却的人为制造的液体，而只采用了氮气，而氮气这种物质取自大自然空气并返回至大自然空气。无需进行废液弃置。氧气不会污染空气，而且也不会污染医疗部件或其它易受污染的工件。

最终，Georgiou先生指出，低温机加工还比传统冲流冷却液机加工方式降低了对电力的要求。冲流冷却液需要在泵机和过滤装置处使用电力，而液氮系统唯一的电力要求来自于涉及氮气分离和压缩的工作，这些工作很有可能由液氮供应商来完成并向工厂供应注满液氮的贮罐。

图6 液氮通过一种类似于最小量润滑系统的机构通过主轴内部进行
输送。这种低温机加工的早期试验采用了外置的氮气贮罐。而具
备低温加工能力的市售机床能够将贮罐设置在机床本身容纳范围内

每立方英寸成本

MAG表示，机加工厂目前已经可以在其现有机床上试验低温机加工工艺了。MAG提供了一套试验套件，包括一个带有液氮管线的刀具夹座（见照片）。但此套件未能提供完美的试验方法，因为将低温冷却输送装置设置在刀具夹座内会导致刀具悬伸长度加长，并降低这种刀具安装方式的刚性。但是，这一套件足够让潜在用户确定所想要看到的低温机加工节约效果。

目前已经可以达到显著的刀具使用寿命延长效果。与此同时，Georgiou表示所带来的刀具成本的节约效果还将继续得到强化。他将刀具作为低温机加工工艺仍然必须改善的最重要环节。目前，由于用户基数较小，现有的刀具可以按需改造后供低温机加工用户使用。而未来，将设计、制造和库存一套用于低温机加工应用的刀具类别，以降低刀具的价格。

甚至就在现在，低温机加工所带来的性能增益潜力之强大已经足够让刀具的价格相对来看显得并不昂贵了。Georgiou表示，如果按去除每立方英寸材料的成本来测算刀具的支出时，他预计低温机加工将能达到机加工行业从未出现过的最低刀具成本。