二、液氮冷却的应用

1. 液氮冷却的直接应用
   即将液氮作为切削液直接喷射到切削区。氮气是大气中含量最多的成分，液氮作为制氧工业的副产品来源十分广阔。使用液氮作为切削液，应用后直接挥发成气体返回大气中，没有任何污染物，从环保方面看，是一种很好的切削液替代品。
   美国怀特州立大学S.Y.Hong博士为首的课题组，在解决了液氮从贮存罐到切削区流动过程中的液氮挥发问题后，在液氮冷却超低温状态下，对车削加工方法进行了广泛的研究。他对某些刀具材料的超低温下切削性能实验研究结果表明，在液氮冷却加工状态下，硬质合金材料能保持其抗弯强度、断裂韧性和耐冲击强度，其硬度随温度的降低而增大，因此硬质合金刀具材料在液氮冷却中能够保持其优良的切削性能，并且和在常温下一样，其性能决定于粘结相的数量。对于高速钢，随温度的降低，其硬度增大而抗冲击强度降低，但总体上能保持较好的切削性能。他对一些材料在低温下提高其切削加工性进行了研究，选用了低碳钢AISI 1010、高碳钢AISI 070、轴承钢AISI E52100、钛合金Ti-6Al-4V、铸造铝合金A390五种材料，实验研究表明：由于低碳钢表现出良好的低温脆性，低温切削可获得理想的加工效果；对于高碳钢和轴承钢，应用液氮冷却可抑制切削区温升和刀具磨损速度；在切削铸造铝合金时，应用低温冷却可提高刀具硬度和刀具抗硅相磨粒磨损能力，在加工钛合金时，同时低温冷却刀具和工件，可有效地降低切削温度和减少钛和刀具材料之间的化学亲和力。总之，都获得较好的加工效果。
   一般来说，由于刀具磨损极其严重，金刚石刀具不能用来加工黑色金属。美国一学者采用液氮冷却加工系统对不锈钢用金刚石刀具进行车削加工，由于低温抑制了碳原子的扩散和石墨化，大大减少了刀具磨损，并取得了极好的加工质量，其表面粗糙度达到Ra25nm。
   磨削加工时会因磨削区高温常常对工件表面造成热损伤，如烧伤、微裂纹等。为有效解决这些问题，印度工学院S.Paul对液氮超低温磨削五种常用钢材进行了研究，结果表明：正确合理地使用液氮冷却，可有效控制磨削区温度，使磨削温度保持在材料发生相变温度之下而不发生磨削烧伤；并且在材料塑性增大和就较大进给量情况下，这种效果更加显著。
   对于非金属材料和复合材料的液氮冷却切削加工，国外也开展了广泛研究。如KFRP(Kevlararamind fiber reinforced plastics)一种高强度/重量比、耐疲劳的复合材料，用传统切削方法加工非常困难，限制了这种材料的使用。新西兰学者对其进行超低温冷却加工，使用液氮不间断冷却(0.4～0.5l/min)，极大的改善了这种材料的切削加工性，不但获得了满意的加工表面质量，还在很大程度上延长了刀具寿命。采用低温切削热固性塑料、合成树脂、石墨、橡胶和玻璃纤维等材料时也均显示出良好的切削性能。
   由此可见，在有关法规越来越严格，切削液使用和处理费用日益升高的情况下，液氮确实是一种未来切削加工中比较有效和经济的切削液替代品。
2. 液氮冷却的间接利用
   主要是刀具冷却法，即在加工中不断地冷却刀具，使切削热快速从刀具上、特别是刀尖处被带走，刀尖始终保持在低温状态下工作。美国林肯大学的学者，利用山特维克公司生产的一种配备新型冷却系统的CBN(PCBN)刀具进行试验研究，这种刀具是在车刀上部的方盒内储存液氮，由进口输入，从出口流出。试验表明，液氮冷却时，车刀切削寿命延长10倍，磨损降低1/4，并可获得较小的表面粗糙度。
   还有一种特殊的间接利用方法为喷气冷却。日本一些学者研制出喷气冷却系统，系统使用的冷却气体是由液氮在热交换器中冷却过的，其温度低于-50℃。冷却气体直接喷射于磨削点。实验发现磨削后工件材料的残余压应力比使用磨削液磨削要大，而且残余压应力的分布区域也变宽了。而残余压应力可提高零件的抗疲劳寿命，对一些零件，如飞机零件等十分重要。采用固体润滑剂处理过的CBN砂轮，或加工中添加极少量(10l/h)的超精植物油，可在加工中起到较好的润滑作用。

三、结论