（机械制造及其自动化专业论文）切削加工中冷却问题研究与仿真.pdf

摘要 摘要 在生产制造过程中，高速切削以其超高的切削速度、极高的加工耩波和良 好的表面质嫩以及对薄壁和难加工材料的加工等方面的优势，获得了广泛的应 用，从而假使人们对高速切削系统的各个环节进行研究。冷却是其中的一个方 面。冷却问憨的研究是非常重要髓，它对工件的如工矮量和刃具寿命煮很大影 晌。餐赘滚怒当羲毫速韬蘩攘z 审憨主要冷帮方式。零文霹裹速锈裁熬王j 霪程 中的冷却问蹶送行了研究，通过计算机仿真和实验捆缩合的手段，对切削液的 流量等参数对被j l - 工件表面的濑度的影响做了一贱纂本的研究。研究成果将 会对实际生产具有指导意义。 首先，建忘齑速切削加工的计算机仿真模型，用眷限元分析软件对工件的 锈熬漫度场遴露毒隈元薅寞分攒。 其次，穰实验过程中，不断致炎切削液的流量，邋过分析，对比实验数据， 可以发现不同的参数对加工工件袋面的温度的影响。 最后，对比实验数据和有限冗仿真分析的结果，骏证计算机仿真的可靠性， 建立表面温度与切削液流量等参数之间的经验公式。 关键词：离速仞醣流量韬翻参数温度场有限砖 a b s t r a c t a b s t r a c t i nm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e s ，h i g hs p e e dc u r i n gi sw i d e l yu s e db e c a u s eo fi t s h i g h e s t c u t t i n gs p e e d ，e x t r e m e l yh i g hf a b r i c a t i n gp r e c i s i o n , v e r yg o o df i n i s h i n g s u r f a c ea n di t sa d v a n t a g e si nf a b r i c a t i n gt h i nc a s ea n dh a r d - t o c u tm a t e r i a l s s op e o p l e b e g i nt od os o m er e s e a r c h e so f h i 曲s p e e dc u t t i n gs y s t e m t h er e s e a r c ho f c o o l i n gi s o n eo ft h e s er e s e a r c h e s c o o l i n ga f f e c t st h em a c h i n i n gp r e c i s i o no fw o r k p i e e e sa n d t h et o o l l i f eg r e a t l y n o w , i nt h eh i g hs p e e dm a c h i n i n g ，c o o l a n ti st h em a i nc o o l i n g m o d e t h i sp a p e rd o e ss o m er e s e a r c hw o r ko f t h ec o o l a n ti nt h ep r o c e s so f h i 曲s p e e d m a c h i n i n g ，b yu s i n gc o m p u t e rs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tm e t h o d ，d i ds o m eb a s i c r e s e a r e h so ft h ei n f l u e n c eo ft h ec o o l a n tf l u xt ot h es u r f a c et e m p e r a t u r eo f w o r k p i e c e t h er e s u l to f r e s e a r c hc a ng u i d et h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o n f i r s t , e s t a b l i s ht h ec o m p u t e rs i m u l a t i o nm o d e lo fh i g hs p e e dm a c h i n i n g ；u s et h e f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o na n a l y s i ss o f t w a r et oc a l t yo u tt h em a c h i n i n gt e m p e r a t u r e f i e l do f t h ew o r k p i e e e s e c o n d ，i nt h ep r o c e s so fe x p e r i m e n t ，c h a n g et h ec o o l a n tf l u x , b ya n a l y z i n ga n d c o n t r a s t i n gt h ed a t ao ft h ee x p e r i m e n t , w ec a nf i n dt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n t p a r a m e t e rt ot h es u r f a c et e m p e r a t u r eo f w o r k p i e e e l a s t , c o n t r a s tt h ed a t ao ft h ee x p e r i m e n ta n dt h er e s u l to ff i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o na n a l y s i s ，v a l i d a t et h er e l i a b i l i t yo f c o m p u t e rs i m u l a t i o n , f o u n dt h ef o r m u l a b e t w e e nt h es u r f a c et e m p e r a t u r ea n dt h ec o o l a n tf l u x k e yw o r d s ：h i g l ls p e e dm a c h i n i n gf l u xc u t t i n gp a r a m e t e rt e m p e r a t u r e f i e l d f i l l i t ee l e m e n t 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 7 良 御年哆月锄日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 寥 卅 年另月讪e t 第1 章 l 言 1 1 概述 第1 章引言 高速切削的起源可追溯到2 0 世纪2 0 年代末期【1 】。德国切削物理学家萨洛蒙 博士提出了一个假设，即申请了德因专利的所罗门原理：被加工材料都鸯一个临 爨切浆速度虼，在甥潮速度达弱羧赛速度之兹，切鲻激发帮刃具瘗损隧臻甥凝 速度增大磊增火，当切魏速度达到营通切懿速度懿5 6 倍时，韬潮刃蜀鹩浚度 开始随切削速度增大而降低，刀蕨磨损随切削速度增大而减小。 自所罗门原理提出以来，高逋切削技术的发展经历了以下四个阶段：黼速切 削设想和理论探索阶段，高速切削成用探索阶段，黼滤切削进入实用阶段，高 速切削逐渐逡入魄鞍成熟玲段【2 l 。特剜是2 0 藿纪7 0 够代后，各工韭发达溺家稳 继投入大羹戆入力、锈力、黠力磷究开发高速秘削技零及稳关技术，发鼹毽额 月异，德国、奖国、瑞士、瑞典、英国和日本等制造强国走在了世界前列。2 1 世纪初，高速切削技术在工业发达国家得到普遍应用，正成为切削加工的主流 技术。 衰速切削技术豹发展和应用来源予高速切削理论的磷究积突破。离逮甥削 靛缓竣妥工簸纛嗣经历了一令漫长熬过程，毽每一多酃俘随着理论懿磷究帮指 导。虽然高速切削现在已经在世界上很大范围应用，并取得了巨大的技术经济 效益，但是，高速切削理论仍然魅续处于研究当中，而且还远远没有成熟，受 研究条件和研究水平的限制，有魃问题至今仍然是知其然而不知其所以然。基 餮 | 理论的深入磷究和完善，必将会推动高速切削技术鼹遂一步发展和废髑，并 蘩遥更大豹效焱 l l 。 高速切削梳理的研究作为高遽切削技术的理论基础，是高速切削技术应用 和发展的基石。在高速切削机理研究中，切削温度的研究是至关重要的，高速 切削温度的分布及其变化规律是黼速切削工艺分析的艇要依据之一。切削热是 切削过程的熏受物理现象之一，切削时所消耗豹能鬃火部分都转化为热熊，只 有壤少数戆蘩惩瑷形残囊表囊窝菝瑟穆整簦等髟式形簸渗戆，霾魏霹羧邋绫谈 为切削所消耗的能量全都转纯为热能。大量的切削热譬l 起的剪切区、前刀瑟等 第1 章引言 处的温度上升对切削力、前刀面上的摩擦系数、积屑瘸的形成和消失、刀嶷磨 损以及工件加工精度和加工表面究憋性等有着很大的影响。因此，对于切削温 疫豹窝镄，秃论瓣予韬潮现象豹黟 巍，还是对寻找愿确鹣韵潮条件都是投为重 要懿【3 】。 1 1 1 高速切削的定义及优点 现在对麓速切削的速度范围迄今为止尚未做出明确统的规定，通常恕切 麓速度为零蕊壤澍速疫5 l e 揍静凌裁嚣秀毫逮甥削。瓣嘉蓼，怼甥裁速度熬麓分 方法有多种，童簧可分为按切澍遵发划分帮按杌床童轴转速、功率、镶张大小 划分。有关高速切削的定义，目前尚无统一的认识，迄今有三种观点： ( 1 ) 切削速度很高，通常认为矮速度超过普通切削的5 1 0 倍； ( 2 ) 机床斑轴转速很高，一般将主轴转速在1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 r m i n 以上定为 裹速甥削； ( 3 ) 遴绘滚发缀离，逶常达1 5 5 0 m m m 。 目前各种加工方式能达到的切削速度的范围大致为： 车削7 0 0 7 0 0 0 m m i n ，铣削3 0 0 6 0 0 0 研m i n ，钻削1 0 0 1 1 0 0 删m i n ， 拉削3 0 7 5 m m i n ，铰削3 0 0 6 0 0 0 m m i n ；其进绘速度也由2 6 m m i n 提 毫到l o 2 0 m m i n ，快速进给速发霉达委4 0 6 0 m m i n 嘲。嗣露，褰速锈粼靛 迸给速度氇斑稳对提高，一般达羁1 5 5 0 m m m 。 高速切削的主要优势在于：高的材料去除率、较短的研制周期、较小的切削 力、较少的王件变形及更好的加工精度。目前，高遵切削己成为提高加工效率 和加工质量、鞯低成本的主要途径。由于高速切削带来的效益( 见表1 1 ) 非常 巨大，故遥十佘年来国酝上菲常熏褫其磅究。 表1 ，1 薅遥切削带来的效盏搿 提高生产效率效率比1 0 年前提高5 0 一1 0 0 提高产品质艇切削力小，加工精度和袭面质量提高 降低制造成本单件的工资、机床赞用大幅下降 开发薪工教出现了以车代灏，以铣代磨( 抛) ，于切削、硬切削等辫王艺 续短产品开发髑期生产壤备辩阙藏少，热王薅翊练斑，巍晶嚣开发周期麓浚 2 第1 章引言 1 1 2 高速切削的机理及关键技术 在裹逮熬王绶零骚究薅系戆鑫缀成部分孛熬工壤瀵翡臻究是毫速援潮王艺 分析的主要依罐，也是实现高速加王技术的关键技本乏。高速加工梳理兹基 础技术是通过高速切削试验和理论分析揭示高速切削加工的机理，对高遮加工 过程中工件的变形、力、温度、摩擦和磨损规律及高速加工系统各部分的稳定 性、可靠性镰进行分析，即高速切削机理的研究由刀凝寿命的研究、切削力的 磅究、甥削懑浚瓣磅究、热工表露受整茬雾 究及切溪形裁凝理磅究五令部分组 成嘲，如图1 1 所示： 图1 1 高速切削的机理 裹速热王终为一嚣藜豹技零，其饶焘是曼瑟荔炙豹，宅给抟统豹数控热王 带来了一静孳命性豹交纯，僵怒，鹜蓠帮便是在搬工梳床水平先进酶瑞士、德 国、日本、美潮，对这一崭新技术的研究也还处在不断的摸索研究中。事实上， 高速切削技术憋一个非常庞大而复杂的系统工程，如图1 2 所示，它涵菔了机 床材料的研究及选用技术，机床结构设计和制造技术，高性能c n c 控制朔通讯 系统，高速、褰效冷却润港系绞，褰精度窝丈功率妻皴系统，衰精度快速送给 系统，离缝缝刃其夹持系统，赢稳髓刃具李| 辩、刀爨绥 每设计和翎造技零，嵩 效高精度测试测量技术，高速切削机理，高速切削正黻，适合高速加工的编程 3 第1 章引言 软件与编程策略等等诸多相关的硬件和软件技术。在这个综合的大系统中，有 许多问题有待于解决：如高速机廉的动态、热态特性；刀具材料、几何角度和 耐用疫翔题；橼床与刃具瘸豹接翻技零( 7 j 其戆动平鬻、短矩黄竣) ；冷熹| 】溺浮 滚静选择；c a d c a m 的程痔鑫簸纛闯蘧；高速霸王辩刀爨辘透昭往往阕嚣等等。 图1 2 高速切削的关键技术 新近开发的加工中心主轴d n 值( 主轴直径与每分钟转速之积) 大都殴超过 1 0 0 万。轴承盥黉为重量轻于钢制龆的陶瓷球轴承，轴承润滑方式大都采用油气 混合润滢方式。程毫速热工领域，嚣翦已秀发出空气皴承秘磁辘承数及囊磁辘 承帮空气辜鸯承会并褥成的磁气空气淫合主辘。商速弼裁淼工所雳靛遴给瓣动橇 构通常都为大鼯程滚珠丝杠或崖线电机，其最高加速鹰在l g 以上，最高避给速 4 第1 章引言 度可超过9 0 卅m i l l 。 为了实现黼速切削加工，首先应提及的自然是机床的改进，然而也可以这 榉表述；褒遴绥削技本豹发震史，穗裁是乃具材料不凝遴步豹历史。高遮甥削 戆戎表经王疑秘誊辜是c b n ，端藤镌翻使用c b n 力嶷辩，其讶翻速度霹麓这 5 0 0 0 m r a i n 。目前，用金刚石刀鼹端面铣削铝合金时，5 0 0 0 m m i n 的切削速度 已达到实用化水平。v = 5 0 0 0 m r a i n 以上的高速切削所用的工具材料，除c b n 与金刚石外，逡今尚未发现有其他晶种。 c b n 秘众澍石刀具只能用予一定豹船工领域，溺誉能取褥菲常理想静降 鬟 热工戒本豹效莱。瑟够使臻澍工其凝作蜀徐穆低廉，又美有优异性麓，霹磐效 降低加工成本的技术，目前当曾榷涂层技术。现在高速加工用的立铣刀，犬都 采用卧l n 系的复合多层涂镀技术进行处理。如目前猩对铝合金或有色众属材 料进行干式切削时，d l c ( d i a m o n dl i k ec a r b o n ) 涂层刀具就受到人们极火的关 注，预计其帝场嚣景十分玎观。 刃吴瓣夹持系统是支撑毫速绥溅懿重要技零，嚣蓠使爱最蕊广泛豹怒瑟蘧 夹紧式工兵系统。各公司已作为商赭正式投放市场的两面夹紧式工具系统主要 有h s k 、k m 、b i g p l u s 、n c 5 、a h o 等系统。 1 1 3 我国高速切瓠研究现状 蠢舂萋，瓣海在这一方面戆磅究滏楚子摸索除莰，童簧楚各令大学_ 饔紫院夔 在对高速切削加工的理论和应用进行研究，山东大学探讨了高速切削时，工件 材料与刀具材料的匹配、切削方溅、刀具几何参数、切削参数、振动和切削液 等因素对已加忑表面粗糙度的影响；哈尔滨理工大学_ 鞫哈尔滨工业大学等单位 角p c b n 刀其瓣于切鄹不同硬度皴承镄g c r l 5 豹切燃力、甥削温度、已热王表 嚣完整毪遴纷了锈崩试验疆究，发瑶存在区分善逶凌瓣与硬态秘蘩静 瓷器硬度， 并得出g c r l 5 诵的临界硬度为5 0 h r c ，在临界硬度附近切削时，刀具的黪损严 重，加工表面质量最差；上海水产大学建立了“工程材料切削加工性的人工神经 网络综合评判模型”，各评价指标的权值是从足够的训练样本中提出，避免了人 为确定权缓秘寐属菌数的主观性，使评价结果更具客观性和可毙经；大逡遴工 大学建立了球妖镌刀铙甏谤雾稳鼷缀模鳘著嚣震数壤镑囊研究，慰蒗避铣刀设 计、切削用爨优化和切削参数监控均有现实意义；j r s + p r a k a s h 等学者介绍的“微 第1 章引言 型硬质合金铣刀切削时刀具寿命的预报模型”，j w a n g 等人介绍的“斜角切削时 允许后刀面磨损的切削预报模型”等均与实验相吻合，为精密切削和微量切削提 供了理论壤攥。 虽然在赢遽热工翡菜些方霹取褥了一定静戎采，稳葸体上豹系绞稳方甏述 存在着许多问题。现在，国内企般中，高速切削机床的数量已经很多，假大多 数机床并没有真正的发挥应有的作用，只是在进行酱邋的切削。目前，对禽速 切削理论的研究远远滞后于应用的研究。对于高速加焉中出现的现象，我们往 往知其然露不知其所班然。造残逸一现象弱骧园是我们还没有建立起一囊完善 静适台孛莺霸王奉孝释籍毪夔工艺数鬟痒系统。因魏，辩麓穑瑾谂翡深入磷究嚣 完善，建立越究整的高速加工数攥库，无疑会推动高速切削技术的进一步发展 和应用【7 1 。无论是机床、刀具和冷却润滑系统，还是拨制、c a d c a m 方酾，我 们都落后于嘲外水平。要尽快缩小弗赶上与国外同行妣间的差距，还有许多路 要走。为了尽快豹完善具有中国枣孥憩豹高速切削工艺数籀库，完善高速切削理 论，我 】选铎簿速凌蘩戆冷帮弱麓遴行尝试往磅究。 1 2 高速切削的冷却问题 1 。2 ， 囊状慧发装 目前高遮加工中常见的冷却方式有切削液冷却、压缩空气冷却、刀暴涂层 等，或者辅以其它手段，如冷风，1 面应用最多最广泛的还是切削液冷却。切削 液分为切削油和水溶性切削液，熊基本作用是冷却、润滑、清洗、防锈镣。但 是，随着社会熬发展以及“可持续发展”战略的提恕，入们对工业活动对环境 窝毽素豹影稍越来蔻重褪，凌潮滚冷帮滤滢方式熬瘦惩澄经受鬓7 严臻鹣溪裁e 它主要的缺点肖： ( 1 ) 增j j n j 口- r 的成本。研究成果表明，在欧洲汽率制造业，切削液的成本 占总制造成本的1 6 9 ，它包括购援切削液的费用，使用切削液所需设备赞，维 护及废液处瑷赞用等潮。据国外众渡统计，在集中冷却煳工系统中，切削液总成 本羞1 4 1 6 ，茺其袋奉鬟占然4 嚣。在我藿缝大多数金鼗黎是采蘑擎嘏濑港 冷却，切箭液费用会更高。据统计，1 9 9 8 年我国澜游油和切削滚的消耗鼹毽界 第三位。 6 第1 章引吉 ( 2 ) 污染环境。冷却润滑剂中所含的矿物油和磷、硫、氯等会对环境造成 污染： ( 3 ) 对入律送簿爨塞。臻翻滚孛静考鬈袋分，翔硫、委磷羧蒎等，逶_ 遘疫 获接触和呼吸等途径会对人体造成伤害。嚣既在高速加工孛，确定最傀鲍冷却 方案，成为研究人员研究的主要课题。 目前国外的研究主簧集中在以下几个方丽： ( 1 ) 在切削液方露，努力寻找高性能、长寿命、低污染的切削液，出现了 多耱凝鍪静凌翻滚，絮臻士巴索窃葭滚、m o b i l m e tx l m 系强绫饶聚滚等。 ( 2 ) 寻找切削液静骛代品，如冷风、渡氮、承蒸气等，都敬褥了一定的成 绩。液氮冷却的利用方法之一是将液氮作为切削液直接喷射到切削区。美国怀 特州妲大学的s y h o n g 名e 车削中对液氮冷却进行了研究，结果表明，在超低温 加工状态下，刀具材料能够保持良好的切削性能，可提高切削效率和加工质量； 滚氮冷熹| 】戆另一耪剩髑方法是阕接剥弱，帮琴将滚氮壹接嚷射到甥熬区。美蓬 棒鬻文学的z 。y 。w a n g 在多晶体c b n j j 吴上部豹方盒内储存液鬣，由进口输入， 从出口流出，用这种方试车削烧结氮化硅时，刀具寿命延长了l o 倍，磨损降低 1 4 。荧国标准和技术国际研究所的e v a n s 用盒刚石刀具切削不锈钢时，利用液氮 冷却刀杆或夹具，减少了刀具磨损，加工表丽粗糙度低于r a 0 0 2 5 a m 。 ( 3 ) 改进鸯嚣工方法，袋舞l 徽量润滑( m q l ) 或孝子切嬲。徽量澜潺蠢于据秘是 现在疆究豹眈较热门静方法。 翮前，国内对这方面的研究不多，在高速切削方面处于起步探索阶段，下 面魁孟匠期国内的成果： 上海大众汽车有限公司、上海交通大学、哈尔滨理工大学等单位在“干切削 及其藏用”等有关论文审，详细奔绍了于切削的枧理鞠实憨该项王藏的途径，以 及愆激必襄韵翔王予韬潮、施麴最多量潺瀵液豹于窃蘩、焉嚣缡空气冷菇援澍 以及用氮气进行干切削等加工方法。 南京航空航天大学对商速切削高温合金、钛合金、不锈钢等难加工材料进 行了系统试验研究，按最小能量原理，利用集中剪切滑移的临界条件，推导出 集中剪切清移条件下的切削方程式。 1 2 2 干切割 7 第1 章 i 言 随着人们对环境的重视，人们对切削液对环境的负面影响越来越了解，而 且，研究表明，冷却液的润滑作用只有1 0 ，其余的用于排屑1 9 】。因此，人们试 图不用或少髑冷却润淫滚班解决溺滢滚给环境带来鲍受嚣影响，于是出现了千 锈澍这耱热王方式。于察蘩产生貔窃震清洁于澡，荔警嚣浚，毽蓖不会污染臻 境，也不会对人体造成伤害，但怒由于它完全摆脱了冷却润滑液的冷却润滑及 排屑等作用，切削温度变高，刀飙寿命下降，工件质甓变差，因此，需瓣各个 方面的改进。 首先是刃舆材料的改进。予切划的刃具材料应该蠢缀高的熬硬性，农麓温 下其硬度不会洚低，仍毒餐餐豹辘力。嚣嚣透露予予甥蘩戆刀吴薅褥套怒续鬏 粒硬质合金、嵌方氮化硼( c b n ) 、浆晶金刚石( p c d ) 、晶须增韧陶瓷和纳米豁粒 陶瓷材料等【9 】。 其次是刀舆涂层技术的发展。甲切削中依靠刀具涂层起到润滑减摩作用【l 们。 刀具涂层有硬涂层和软涂层两种。常用的硬涂层材料肖t i n 、t i c ，a l z 0 3 镑，它 】硬度穰毫，缀褰瘗；敦涂垂楗籽鸯m o s 2 、w s 2 等，宅襞数滤溪毪好。涂豢耪 料的发展，融蠢最初的单一t i n 涂联、t i c 涂层，经掰了t i e a 1 2 0 3 一t i n 复 合涂层和t i c n 、t i a l n 等多元复龠涂层的发展阶段，现程最新发展了t i n n b n 、 t i n c n 等多元复合薄膜材料，使刀具涂层的性能有了很大提高。据实验寝明， 在含9 s i 的铝合金上进行干攻熊加工，普通丝锥只熊加工2 0 个孔，t i a l n 涂 屡丝镬霹辍工1 0 0 0 今强，瑟m o v i c 涂瑶丝锥霉黧王4 0 0 0 令弦圜。 再次裁怒刃典几何形状静改遴，应该尽量减少刃凝与切屑的接触两袄，考 虑刀具表面的润滑性，减少积屑瘸的产生。美国c a r b o l y 公司把刀片制成越大正 前角( 十3 4 0 c ) ，加强刃，前刀丽鼹多条弧形沟，减少切屑与前刀面接触，使切 削温度大为降低，采用通常切削逋发，刀具寿命可撮搿3 4 倍1 9 】。 瑗在于翡剡主要鬟在铸铁豹予甥浆，铝合金豹予甥熬，镁豹手切麓以及镳 的干切削等。美国l e b i o n dm a k i n o 公司发明静“红露牙”铸铁加工按术溅经缀 成熟，铸铁切除率可达1 4 9 c m 3 m i n 。对于钢的干切削，美国的l e b l o n d 发明了 一种专利工芑，利用这种工艺在切削速度高达3 0 5 r e r a i n 时，可用硬质龠金刀 具对淬硬钢( h r c 5 0 ) 及钛合鑫进行干车削加工，切削热由通过主轴的离聪冷 露气荣走，切割漫度可降至最 羲。疆本s y u n - i c h i y a m a g a d a 硬究秀发了铜孝孝豹子 式挠匿丝锥，麓营逶斡瀣式挤压煞镶褶眈，刀兵寿禽西撵禽尼倍鹫足傣翻。露 铝材的干切削来说，p v d 的切削效果比较好，不容翁产生积屑瘤，用c v d 工艺 第1 章引言 生产金刚石刀片，适合于对铝材进行干切削。镁是最难加工的金属之一，目前， 美国的c a r g i lp e t r o i l 公司正在研究镁的干切削工艺。 干切削虽然是有争议的方法，但是随着刀具材料的发展和涂层技术的进步， 以及机床等设备的发展，必然会促进干切削的发展，而干切削的发展又必然会 推动刀具材料、涂层等的进步。 1 2 3 微量润滑 微量润滑是介于干切削与湿切削之间的一种加工方式。由于微量润滑既有 切削液的润滑冷却作用，又有干切削的大部分优点，所以成为研究的重点之一。 这种加工方法现在已经比较成熟，一般认为耗油量在5 0 m l 以下即认为是微量 润滑。在美国，m q l 已经进入汽车工业中，n c m s 制定了对铝合金加工进行大 规模研究的计划。在此计划中，对于a 3 1 9 铝合金，以一把钻头钻削1 0 0 0 0 个直径 6 m m ，深度2 0 r a m 的孔为加工目标。与m q l 相比，根据所掌握的资料，干切削 中采用没有涂层的刀具只能加工2 5 个孔，即使采用最佳化涂层的刀具，最多也 是5 0 0 0 个左右，而采用m q l ，1 0 0 0 0 个孔完全有可能。现在的研究重点是在何种 条件下采用何种加工方法可以达到多高的生产率的问题。 然而，最少量润滑并不是完美无缺的。由于缺少了冷却润滑液的排屑作用， 在最少量润滑中，就需要单独的来设计它的排屑，有时甚至需要专门的排屑系 统来实现；此外，灰尘和油雾等对机床换刀系统也产生影响。诸如此类的问题， 成为当今最少量润滑发展的重点。 1 3 研究内容 本课题研究的主要内容是切削加工中的冷却问题。综合考虑我们实验室现 有的设备以及时间，财力方面的限制，我们决定主要研究以下内容： ( 1 ) 建立切削过程的有限元分析模型，利用有限元分析方法研究冷却液流 量对被加工工件表面温度场的影响规律； ( 2 ) 冷却液流量对工件表面温度场的影响规律的实验研究； ( 3 ) 建立冷却液流量等因素影响下的工件表面温度场仿真模型。 9 第2 章切削加工中的切削液 2 t 前言 第2 章切削加工中的切削液 在加工中使用切削液是现今普遍应用的方法，也是很有效的方法。切削液 在切削加工巾艉作用是巨大豹，w 以说，除了于切削之外，任何一静热王都离 不开韬蘩滚。嚣蔻甥鞠滚戆耱类繁多，凌襞遣是鑫雾，骞豹戮滤潺秀圭，蠢豹 以冷却为主，也有的同时兼顾。那么如何选用切削液，选用哪种切箭液就成为 我们研究的问题。选择切削液之厢，怎么应用切削液也是一个问题。既使是最 好的切削液，如果应用不到切削隧域，或者应用到切削区域的量很少，那么也 不能完全发撵切剃液的作用，造成镯削液的浪费和热工成本的提高。阍辩，为 了瑷强甥羯液鹣菜秘毪襞，往缝燹在诱澍滚孛添鸯爨菇耱添热裁，因建，添龛羹穆 种添如裁，如僻添加以及添加的用麓是多少等也成为仞削液应用中的一黧闯题。 此外，由于环境因素的影响，切削液的维护与最后殿液的处理也是要必须考虑 的。因此，如何选择切削液的种类，如何更有效的臌用切削液并减小对环境的 危害是本文研究的主要问题之一。 2 2 切削液酌作用h n 在金属切削过程中，为提高切削效率，提高工件的精度和降低工件袭面粗 糙度，延长刀具使用寿命，达刘最佳的经济效果，就必须减少刀具与王件、刀 其与甥嚣之阙壤攘，及嚣豢走甥裁嚣逡毽耪耪交影嚣生戆热量。要达掰这些 目的，一方麟楚逶过开发高硬度辩赢温的刀具李季辩和潋进刃其靛几何形状，如随 着碳素钢、黼速钢硬质合金及陶激等刀具材料的相继问世以及使用转位了了具等， 使金属切削的加工率得到迅速提高；另一方面采用性能优良的切( 磨) 削液往 往可以明显掇高切削效率，降低篡件表面粗糙度，嫩长刀具使用寿命，取得良 努窝经济效慈糖裁滚终爰有如下见方嚣： 2 。2 1 冷却作用 1 0 第2 章切削加工中的切削液 冷却作用是依靠切削液的对流换热和汽化把切削热从固体( 刀具、工件和 切屑) 带走，降低切削区的温度，减少工件变形，保持刀具硬度和尺寸。 切削液的冷却作用主要取决于它的热参数值，特别是比热容和热导率。此 外，液体的流动条件和热交换系数也起重要作用，热交换系数可以通过改变表 面活性材料和汽化热大小来提高。水具有较高的比热容和大的导热率，所以水 基的切削性能要比油基切削液好。改变液体的流动条件，如提高流速和加大流 量可以有效地提高切削液的冷却效果，特别对于冷却效果差的油基切削液，加 大切削液的供液压力和加大流量，可有提高冷却性能。在枪钻深孔和高速滚齿 加工中就采用这个办法。采用喷雾冷却，使液体易于汽化，也可明显提高冷却 效果。切削液的冷却效果受切削液的渗透性能影响，渗透性能好的切削液，对 刀刃的冷却速度快，切削液的渗透性能与切削液的粘度和浸润性有关。低粘度 液体比高粘度液体渗透性能要好，油基切削液的渗透性能比水基切削液渗透性 能要强，含有表面活性剂的水基切削液其渗透性能则大大有所提高。切削液的 浸润性能与切削液的表面张力有关，当液体表面张力大时，液体在固体的表面 向周围扩张聚集成液滴，这种液体的渗透性能就差；当液体表面张力小时，液 体在固体表面向周围扩展，固体一液体一气体的接触角很小，甚至为零，此时 液体的渗透性能就好，液体能迅速扩展到刀具与工件，刀具与切屑接触的缝隙 中，便可加强冷却效果。 2 - 2 2 润滑作用 在切削加工中，刀具与切削、刀具与工件表面之间产生磨擦，切削液就是 减轻这种磨擦的润滑剂。刀具方面，由于刀具在切削过程中带有后角，它与被 加工材料接触部分比前刀面少接触压力也低，因此，后刀面的摩擦润滑状态接 近于边界润滑状态，一般使用吸附性强的物质，如油性剂和抗剪强度降低的极 压剂，能有效地减少摩擦。前刀面的状况与后刀面不同，剪切区经变形的切削 在受到刀具推挤的情况下被迫挤出，其接触压力大，切削也因塑性变形而达到 高温，在供给切削液后，切削也因受到骤冷而收缩，使前刀面上的刀与切屑接 触长度及切屑与刀具间的金属接触面积减少，同时还使平均剪切应力降低，这 样就导致了剪切角的增大和切削力的减少，从而使工件材料的切削加工性能得 到改善。在磨削过程中，加入磨削液后，磨削液渗入磨粒与工件及磨粒与磨屑 第2 章切削加工中的切削液 之间形成润滑膜，由于这层润滑膜使得这些界面的摩擦减轻，防止磨粒切削刃 的摩擦磨损，工件表面粗糙度降低。切削液的润滑作用，一般油基切削液比水 基切削液优越，含油性、极压添加剂的油基切削液效果更好。油性添加剂一般 是带有极压性基等的长链有机化合物，如高级脂肪酸、高级醇、动植物油脂等。 油基添加剂是通过极性基吸附在金属的表面上形成一层润滑膜，减少刀具与工 件、刀具与切屑之间的摩擦，从而达到减少切削阻力，延长刀具寿命，降低工 件表面粗糙度的l i l 的。油性添加剂的作用只限于温度较低的状况，当温度超过 2 0 0 0 c ，油性剂的吸附层受到破坏而失去润滑作用，所以一般低速、精密切削使 用含有油性添加剂的切削液，而在高速、重切削的场合，应使用含有极压添加 剂的切削液。所谓极压添加剂是一些含有硫、磷、氯元素的化合物，这些化合 物在高温下与金属起化反应，生成硫化铁、磷化铁、氯化铁等，具有低剪切强 度的物质，从而降低了切削阻力，减少了刀具与工件、刀具与切屑的摩擦，使 切削过程易于进行。含有极压添加剂的切削液还可以抑制积屑瘤的生成，改善 工件表面粗糙度。氯化铁的结晶呈层状结构，所以剪切强度最低。氯化铁与硫 化铁相比，其熔点低，在高温下( 4 0 0 0 c ) 会失去润滑作用。磷酸铁介于氯化铁 和硫化铁之间，硫化铁耐高温性能( 7 0 0 0 c ) 最好，在重负荷切削及难切削材料 的加工中一般都使用含有硫极压剂的切削液。极压添加剂除了和钢、铁等黑色 金属起化学反应生成具有低剪切强度的润滑膜外，对铜、铝等有色金属同样有 这个作用。不过有色金属的切削一般不宜用活性极压添加剂，以免对工件造成 腐蚀切削液的润滑作用同样与切削液的渗透性有关，渗透性能好的切削液，润 滑剂能及时渗入到切屑与刀具界面和刀具与工件界面，在切屑、工件和刀具表 面形成润滑膜，降低摩擦系数，减少切削阻力。 2 2 3 清洗作用 在金属切削过程中，切削、铁粉、磨屑、油污等物易粘附在工件表面和刀 具、砂轮上，影响切削效果，同时使工件和机床变脏，不易清洗所以切削液必 须有良好的清洗作用，对于油基切削液，粘度越低，清洗能力越强，特别是含 有柴油、煤油等轻组份的切削液，渗透和清洗性能就更好。含有表面活性剂的 水基切削液，清洗效果较好表面活性剂一方面能吸附各种粒子、油泥，并在工 件表面形成一层吸附膜，阻止粒子和油泥粘附在工件、刀具和砂轮上，另一方 第2 章切削加工中的切削液 面能渗入到粒子和油污粘附的界面上把粒子和油污从界面上分离，随切削液带 走，从而起到清洗作用。切削液的清洗作用还应表现在对切屑、铁粉、油污等 有良好的分离和沉降作用。循环使用的切削液在回流到冷却槽后能迅速使切屑、 铁粉、磨屑、微粒等沉降于容器的底部油污等物悬浮于液面上，这样便可保证 切削液反复使用后仍能保持清洁，保证加工质量和延长使用周期。 2 2 _ 4 防锈作用 在切削加工过程中，工件如果与水和切削液分解或氧化变质所产生的腐蚀 介质接触，如与硫、二氧化硫、氯离子、酸、硫化氢、碱等接触就会受到腐蚀， 机床与切削液接触的部位也会因此而产生腐蚀，在工件加工后或工序间存放期 间，如果切削液没有一定的防锈能力，工件会受到空气中的水分及腐蚀介质的 侵蚀而产生化学腐蚀和电化学腐蚀，造成工件生锈，因此，要求切削液必须具 有较好的防锈性能，这是切削液最基本的性能之一。切削油一般都具备一定有 防锈能力，如果工序问存放周期不长，可以不加防锈添加剂，因为在切削油中 加入石油磺酸钡等防锈添加剂会使切削油的抗磨性能下降。 2 3 切削液的分类 在切削加工中最常用的切削液，包括非水溶性( 即油基) 和水溶性( 即水 基) 两大类【1 2 】。非水溶性切削液主要是切削油，其中包括各种矿物油( 如机械 油、轻柴油、煤油等) 、动植物油( 如豆油、猪油等) 以及加入油性、极压添加 剂的混合油，主要起润滑作用。此外，非水溶性切削液还包括部分固体润滑剂。 水溶性切削液主要有水溶液和乳化液两种。水溶液的主要成分为水，并加入防 锈剂，也可以加入一定量的表面活性剂和油性添加剂。乳化液是由矿物油、乳 化剂及其它添加剂配制的乳化油和9 5 9 8 的水稀释而成的乳白色切削液。水 溶性切削液有良好的冷却作用和清洗作用。 离子型切削液是水溶性切削液中的一种新型切削液，其母液是由阴离子型、 非离子型表面活性剂和无机盐配制而成的。它在水溶液中能离解成各种强度的 离子。在切削时，由于强烈摩擦所产生的静电荷，可与这些离子反应而迅速消 除，并能降低切削温度，提高刀具耐用度。 第2 章切削加工中的切削液 2 4 切削液冷却润滑的原理与选用 在金属切削加工过程中刀具与工件之间的关系十分复杂，因不同的切削过 程也存在着很大差异，但其润滑过程中的特征基本相似。在金属切削过程中主 要存在着三个剪切区：第一剪切区，被切削金属层在刀具的作用下发生塑性变 形，产生剪切滑移。第二剪切区出现在沿着刀面表面的位型1 3 】。切屑沿前刀面 排出时，进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处的金属纤维化。第 三剪切区，已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压、摩擦和回弹，造 成纤维化加工硬化。 从这三个变形区来看切削液几乎不可能进入第1 变形区，有可能进入的是 第、第i 变形区。切削液通过切屑与前刀面之间，及切削刃与工件表面之间 存在的微小间隙渗透到变形区，在刀具与切屑、刀具与工件的表面上形成吸附 薄膜，呈边界润滑状态，它减小了前刀面与切屑、后刀面与已加工表面之间的 摩擦和变形，起到了润滑、冷却的作用。因此，切削液的选用是很重要的，其 润滑性、冷却性及清洗性是机械加工中要求具备的基本性能。机床正确的选择 使用润滑油和冷却剂，能够获得明显的成本效益。 在根据加工方法、要求精度来选择切削液之前，设置了安全性、废液处理 等限制项目，通过这些项目可确定是选择用油基切削液还是用水基切削液这两 大类别，如强调防火和安全性，就应考虑选择水基切削液，当选择水基切削液 时，就应考虑废液的排放问题，企业应具备废液处理的设施。有些工序，如磨 削加工，一般只能选用水基切削液；对于使用硬质合金刀具的切削加工，一般 考虑选用油基切削液。一些机床在设计时规定使用油基切削液，就不要轻易改 用水基切削液，以免影响机床的使用性能。通过权衡这几方面的条件后，便可 确定选用油基切削液还是水基切削液。在确定切削液的主项后，可根据加工方 法，要求加工的精度、表面粗糙度等项目和切削液的特征来进行第二步的选择， 然后对选定和切削液能否达到预期的要求进行鉴定，最后做出明确的选择结论。 2 5 切削液的废液处理。 1 4 第2 章切削加工中的切削液 2 5 1 油基切削液的废液处理 油基切削液一般不会发臭变质，其更换切削液的原因主要是由于切削液的 化学变化、切屑混入量增大、机床润滑油的大量漏入及水的混入等原因，对此 可采取如下措施： ( 1 ) 改善油基切削液的净化装置。 ( 2 ) 定期清理油基切削液箱中的切屑。 ( 3 ) 通过检修机床防止润滑油漏入。 ( 4 ) 定期补充切削润滑添加剂。 ( 5 ) 加热去除水分，并经沉淀过滤后加入一些切削油润滑添加剂，即可恢 复质量，继续使用。 油基切削液最终的废油处理一般是燃烧处理。为了节省资源，也可对废油 进行再生。 2 5 2 水基切削液的废液处理 水基切削液的废液处理可分为物理处理、化学处理、生物处理、燃烧处理 四大类。 ( 1 ) 物理处理：其目的是使切削液中的悬浊物( 指粒子直径在1 0 1 m 以上的 切屑、磨屑粉末、油粒子等) 与水溶液分离。其方式有下述之三种： 1 ) 利用悬浊物与水的比重差的沉降分离及浮游分离。 2 ) 利用滤材的过滤分离。 3 ) 利用离心装置的离心分离。 ( 2 ) 化学处理：其是对在物理中未被分离的微细悬浊粒子或胶体状粒子( 粒 子直觉为0 o l l o , u m 的物质) 进行处理或对废液中的有害成分用化学处理使之 变为无害物质。 ( 3 ) 生物处理：生物处理的目的是对用物理、化学处理都很难除去的废液 中的有机物( 例如有机胺，非离子系活性剂，多元醇等) 进行处理，其代表性 的方法有加菌淤渣法和散水滤床法。加菌淤渣法是将加菌淤渣( 微生物增殖体) 与废液混合进行通气，利用微生物分解处理废液中的有害物质( 有机物) 。散 水滤床法是当废液流过被微生物覆盖的滤材充填床( 滤床) 的表面时，利用微 第2 章切削加工中的切削液 生物分解处理废液中的有机物。 ( 4 ) 燃烧处理：有直接燃烧法和将废液蒸发浓缩以后再进行燃烧处理的 “蒸发浓缩法”。 2 6 切削液的发展趋势 随着现代机械制造业的快速发展，切削技术和切削工艺的不断创新对切削 液的性能提出了更高的要求。尤其是近年来环境保护和人类健康日益成为全社 会关注的焦点，而切削液会对环境和人体造成污染和损害，因此切削液的使用 和废液处理已受到环保法规日益严格的制约。在工业发达国家，使用切削液加 工时产生的烟雾量也要受到严格限制，对某些切削液废液及带有切削液的切屑 要求必须作为有毒材料加以处理，其处理成本不断提高。为了适应社会发展的 要求，现代切削液技术的发展出现了一些新的特点。 2 6 1 开发新型的高性能、长寿命、低污染型切削液 近年来，我国进口数控机床、加工中心等先进制造设备越来越多，所需切 削液若长期依赖进口，因价格昂贵，将使生产成本大幅度上升。因此，研制高 性能切削液以替代进口产品己成当务之急。现阶段国内外切削液研究的重点内 容包括：研制高性能切削液，研究延长切削液使用寿命的供液方法以减少废液 排放量；研究更有效和更经济的废液处理方法，除使其达到排放标准之外，还 应尽可能减少有害污染物在环境中的积累。 目前，国内外学者正在努力探索减少或消除环境污染的切削加工方法，但 研究目标大多集中在不使用传统切削液的加工上。从目前的发展情况看，无论 液氮冷却、喷气冷却或干切削，虽然各有特点和优势，但也有其局限性，如上 述三种方法都存在切屑形成过程中润滑性差的问题，因而不得不使用一些润滑 剂；另外，目前的机床主体多为铸铁材料，而工件切削后新生的金属表面具有 极强的化学活性，暴露在空气中均会很快生锈。如用液氮、喷气冷却或干式切 削，则后续工序中必须增加机床和工件的防锈处理，而防锈液、清洗液等同样 会污染环境。由此可见，在切削加工领域，离全面取代采用传统切削液的湿式 加工还相当遥远，而现代切削液的研究开发就显得更为迫切。目前研究开发的 1 6 第2 章切削加工中的切削液 重点是：大力开发对生态环境和人类健康负作用小、加工性能优越的切削液，朝 着对人和环境完全无害的绿色切削液方向发展；同时，努力改进供液方法，优 化供液参数和加强使用管理，以延长切削液的使用寿命，减少废液排放量；此 外，还应进一步研究废液的回收利用和无害化处理技术。 2 6 2 开发传统切削液的替代品 开发传统切削液的替代品，并加强实用化技术、经济性评价和适用范围等 方面的研究。在这方面研究最多的是液氮冷却。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，资源十分丰富。以液氮作为切削液，使用后直接 挥发成气体返回大气中，不会产生任何污染物，从环保角度看，是一种极有前 途的切削液替代品。 液氮冷却的利用方法之一是将液氮作为切削液直接喷射到切削区，可以显 著的降低切削区域的温度。美国学者做过试验表明，在超低温状态下，刀具可 保持良好的切削性能。液氮冷却的另一种利用方法是间接利用，即不将液氮直 接喷射到切削区。美国林肯大学的z y w a n g 在多晶体c b n 刀具上部的方盒内 储存液氮，由进口输入，从出口流出，用这种方式车削烧结氮化硅时，刀具寿 命延长了l o 倍，磨损降低1 4 。 喷气冷却也是液氮的利用方式之一，直接用于切削冷却的并不是氮气本身， 而是被液氮冷却过的气体。日本学者研制的喷气冷却磨削系统就是利用液氮冷 却过的超低温( 。5 0 0 c 以下) 气体直接喷吹于磨削部位，砂轮为经固体润滑剂处理 或添加了