[发明专利]大气压冷等离子体射流辅助切削方法

说明书

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。