丁达哲，童双双，曹 杰

（东方汽轮机有限公司装备能源部，四川 德阳 618000）

0 引言

切削热是在金属切削过程中必然存在的一种物理现象，即在切削过程中由于剪切变形所做的功与刀具前、后摩擦所做的功都转变为热。在加工过程中，如采用切削液，则由切削液将刀具、工件、切屑上的热量带走。其中，切屑带走的热量最大，传向刀具的热量虽小，但前、后的温度却会影响切削过程并损耗刀具[1]。

切削液诞生于1775 年，通过迭代更新，直至今天仍广泛运用于金属机加工领域。但切削液是一种矿物油或合成油为基底的化工产品，在生产过程中添加氯、硫、有机化合物等，经过使用过程中与刀具、工件的高温接触，易发生汽化或分解，对周边环境及人体产生危害。同时，在金属切屑的再生利用过程中，必须通过化学处理和燃烧等方式对切削液进行预去除，容易产生二次污染，提升金属的回收再利用成本[2]。

因此，基于环境保护方面的压力和企业成本管控，将风冷技术应用于金属干式加工、半干式加工的清洁冷却方式，逐步出现在各个加工领域。

1 发展现状与基本原理

我国在用的大部分切削工艺都采用切削液或切削油来冷却刀具和工件，从20 世纪90 年代开始，出现了一种用低温冷风装置代替切削液进行冷却的加工工艺。通过传统氟利昂蒸发制冷系统或液态低沸点工作冷源进行热交换，将低温压缩空气、低温氮气或低温二氧化碳等气体与切削液、润滑油混合后喷射至刀具、工件上，以实现冷却和润滑的效果。采用冷风射流机对刀具、工件进行半干式冷却，混合切削液少，气体流通好、压力高、黏度小，能渗透入切削点附近狭窄空间，将细微油粒送达精密点位，提供持续的冷却和润滑，降低切削点温升，延长刀具使用寿命。同时，切削点的低温化使工件材料脆性增加，更易于切除，减少粘刀现象，也降低了切削力，相对减弱了积屑瘤的生成强度，刀具的粘着磨损也能得到一定的控制[3]。

根据不同的制冷、换热架构，射流的温度也不相同，一般为-30～-10℃。若采用R22 等的制冷剂蒸发制冷模式，射流温度大概为-10℃上下，温度偏高且稳定性差，同时氟利昂对臭氧层有破坏，产生其他环境污染；根据《蒙特利尔议定书》内容，R22 制冷剂市场也会受到限制，导致辅材和管理成本上升。若采用液氮作为冷源换热制冷，液氮在常压下温度为-196℃，通过空气与液氮在热交换器中换热，产出冷风，体积巨大、结构复杂、液氮成本高昂，但产出的射流温度可以接近-30℃，使用效果优于上述制冷系统。总体来说，结合经济和技术两方面内容，现使用的大多数冷风射流机为采用制冷剂蒸发制冷系统结构。

综上，在研制冷风射流机的过程中应该解决现有市面上设备的4 处不足：①射流温度不足，温度波动范围大。②制冷系统、热交换系统效能低，工质污染环境。③结构复杂、使用复杂。④制造成本高，不利于推广[4]。

2 系统结构与工作原理

2.1 系统组成

冷风射流机的系统结构包含空气制备系统、制冷系统、控制系统。压缩空气通过制备系统预处理后，由制冷系统进行热交换，再混合切削液，形成-60～-25℃的低温射流，喷射至加工区域为刀具、工件冷却。

通过空气制备系统可以有效过滤空气中的油雾、粉尘等杂质，对空气实施干燥等预处理，降低压缩空气露点至-60℃以下。

在本设计中，采用的制冷系统为二元复叠式制冷系统。不同于单级制冷系统，这种设计极大拓展了制冷范围，降低了压缩机的工作压力，提升了系统的稳定性。

结合设计中的制冷系统，采用双变频压缩机搭配电子膨胀阀控制使用来达到制冷的效果，相较市面上普通压缩机结构及机械式调节阀，本设计的装置具备调温快速精确、运行稳定、绿色节能的优点。

2.2 制冷原理

制冷系统的基本制冷原理是通过压缩机吸入从蒸发器出来的较低压力的工质蒸汽，使之压力升高后送入冷凝器，在冷凝器中冷凝成压力较高的液体，经节流阀节流后，成为压力较低的液体后，送入蒸发器，在蒸发器中吸热蒸发而成为压力较低的蒸汽，再送入压缩机的入口，从而完成制冷循环。在冷凝器中，工质从高温高压的气态冷凝成高压常温的液态；而在蒸发器中，工质由液态蒸发为气态，同时吸收被冷却物质的热量，使物质温度下降。

而在低温制冷中，单级蒸汽压缩制冷循环的压力比过大，在符合压缩机工作条件的情况下，无法获得需求的低温。即由于制冷剂热物理特性的限制，在单级制冷循环系统中应用的中温制冷剂，就会出现凝固温度、吸气压力过低、吸气比体积过大的限制；然而若采用低温制冷剂，换热温度在30～60℃，就会出现R23 等介质的超临界循环，使其系统内压力远远超过1.6MPa 的安全压力，故低温制冷剂在单级压缩蒸汽制冷循环中是无法运行的。所以通常就会采用多级蒸汽压缩式制冷循环系统，而如果需求获取-60℃以下的低温，提高制冷效率和制冷范围，更深一步提高低温，通常就会采用复叠式压缩制冷系统。即，用两种及两种以上不同的制冷剂（主要为中温制冷剂和低温制冷剂两类），分别组成两个及两个以上的相互独立的单级或两级压缩制冷循环，并最终统合成一个系统进行制冷循环，获得-130～-80℃的低温。

在本系统中，采用两个单级压缩制冷循环组成二元系统，分别为高温部分及低温部分。高温部分采用中温中压制冷剂，蒸发器为低温部分冷凝器工作创造低温冷凝的放热环境；而低温部分采用低温高压制冷剂，蒸发器为用户制冷；居中蒸发冷凝器则实现两部分之间的热量交换；由此，可制取-80～-60℃的低温。在此设计中，高温部分制冷剂通过产出温度较低的工质为低温部分进行热交换。高温部分中冷凝器与外界介质（空气/冷却水等）进行热交换，能量由外界介质带走；而高温循环的蒸发器则与低温循环的冷凝器进行热交换，带走低温循环释放的热能，使低温部分蒸发器产出温度更低的工质，以提供用户使用[5]。

这样的设计方式可以使每台压缩机的工作压力适中稳定，从而获得优秀的稳定性，同时提升低温部分制冷压缩机的输气系数和工作效率，有效提升制冷系数、降低能耗，相比于二级式制冷系统设计稍微复杂，但也具有尺寸小、重量轻的优点。由此，可在低能耗、低成本的情况下，更稳定、更高效的获得低温。

2.3 制冷系统

制冷系统主要分为高温制冷系统和低温制冷系统两个部分。

压缩空气通过高温制冷系统进行一级冷却，输出-25～0℃的冷风，再通过低温制冷系统进行二级冷却，得到-60～-25℃的低温冷风。高温制冷系统采用R410A 制冷剂，低温制冷系统采用R23 制冷剂，制冷能效更高；高温制冷系统为压缩空气提供一级冷却的同时，R410A 制冷剂也在低温制冷系统的冷凝器中进行循环，与低温制冷系统中的R23 制冷剂进行热交换。

冷风射流机系统如图1 所示。

图1 冷风射流机系统

传热计算如下。

（1）压缩空气耗冷量。

温差：ΔT（温差）=（-25）-（-60）=35℃。

耗冷量：Qd=GρΔT。

C=0.05×1.29×35×1.2=2.71kW（0.05N·m2/s 的流量设定）。

R23 系统能效比：EER=4.16（据R23 压焓图）。

压缩机功率：Wd =Qd/EER =2.71/4.16 =0.65 =1.141kW。

（2）冷凝器换热量。

传 热 温 差：ΔT=[（-10-10）-（25-25）]/2=-10℃（10℃）。

换热量：Q=Qd+Wd=2.71+1.141=3.851kW。

通过上述计算，经高温制冷循环制冷的-25℃压缩空气经低温制冷循环降低至-60℃的过程中。需求的耗冷量为2.71kW，冷凝器换热量为3.851kW。

2.4 系统运行

系统运行过程中，可根据不同循环系统以调节电动截止阀制取不同温度区域的射流，通过高温制冷循环可以制取-25～10℃的冷风，通过低温制冷循环可以制取-65～-25℃的冷风。

制备-25～10℃压缩空气时，压缩空气可直接通过高温制冷循环制取。0.3MPa～0.8MPa 压缩空气通过空气制备系统预处理后，去除空气中的大部分水汽，降低露点至低于-25℃，输送至高温制冷循环系统，经高温膨胀节流阀可调节射流温度，最终制得-20～10℃的冷风射流。

制备-60～-25℃压缩空气时，压缩空气可通过高温制冷系统预处理后，再通过低温制冷系统段制取。高温制冷循环中，在蒸发器两侧增设支路连接至低温冷凝器；压缩空气管道直接连通高温蒸发器、低温蒸发器，不经过低温冷凝器。0.3MPa～0.8MPa 的压缩空气经截止阀流经粗过滤器及精过滤器后，进入精除湿机，去掉空气中的绝大部分水汽，使其露点低于-60℃。压缩空气通过高温蒸发器，进行热交换后，温度降低至-25℃。打开高温蒸发器两侧支路控制阀，使工质流通到低温冷凝器，将高温制冷循环工质R410A 在低温冷凝器中完成蒸发过程，同时作为换热介质为低温制冷循环换热。压缩空气进入低温制冷系统的深冷冷凝器去冷凝低温制冷器的R23 制冷剂，温度升至-23℃左右，再进入低温蒸发器，进行热交换，通过低温膨胀节流阀可调节输出的冷风温度，得到-60～-25℃的冷风输出，供用户使用。

2.5 控制系统

结合设计中的制冷系统，采用双变频压缩机搭配电子膨胀阀控制使用。

电气控制主要是采用西门子CPU224 和EM231 模拟量输入模块进行程序的设计和数据的处理。配合上西门子S7-200 文本显示设备TD400C 的画面编辑、显示功能以及其突出的数据交互能力，从而实现整套冷风冷却装置的电气控制。

电气控制系统如图2 所示。

图2 电气控制系统

控制回路采用便捷、可靠的西门子S7-200 小型的可编程控制器和TD400C 文本显示器实现控制。其中S7-200 的PLC 主要用于逻辑控制程序的编程设计以及检测回路中各种模拟量信号的处理。TD400C 文本显示器主要用于温度的设定，温度、流量的显示，与S7-200 的CPU 之间通过特定的通信电缆连接，将设定的温度数据实时传送给PLC 中，并将PLC 处理后的温度和流量实时的显示出来。

检测回路主要包括温度检测和流量检测。其中温度检测由两个TA3000 高温型温度变送器组成；流量检测由两个FVX700 涡街流量计组成。检测回路的作用主要就是将气体的流量和出风口温度实时反馈给控制系统，从而实现温度的精准控制[6]。

主回路主要由变频压缩机、电子膨胀阀以及辅助设备的电源回路组成。这是整个冷风冷却装置的执行机构，通过这些设备与装置的配合工作，最终实现空气的冷却。

3 结语

目前，大部分厂家仍采用传统的切削液、切削油冷却方式加工工件，冷风射流机作为新型刀具加工方式在市场上的利用率仍然较少，采用冷风射流的冷却技术不仅提高了润滑和冷却性能，还提高了工件加工的几何精度和表面质量，可以为高精度金属机加工提供服务。同时，作为一种新型高效清洁能源设备，在基于环境保护和可持续发展的今天，更具备了重大的意义。