高速低温切削技术及其应用的报告.docVIP

高速低温切削技术及应用摘要：低温切削是指在低温环境下进行的切削过程，它利用低温下材料的物理化学性质，实现特定的加工目的。分析了低温切削技术的特点及其制冷技术，阐述了机械制造领域中低温切削技术的研究成果及其应用。关键词：低温切削；机械工程；难加工材料；切削加工性High-speed machining technology and application of low temperatureAbstract：Cold cutting is carried out at low temperature cutting process, which uses low temperature physical and chemical properties of materials to achieve specific processing purposes. Analysis of the low-temperature characteristics and cutting techniques refrigeration technology, describes the field of cryogenic cutting machinery manufacturing technology research and application conditions.Key words: Low-temperature cutting,Mechanical engineering,Difficult materials,Machinability1高速低温切削的特点同常规切削相比,低温切削技术主要有以下特点：(1)可加工难加工材料；(2)加工效率高；(3)提高工件的加工精度和表面质量；(4)刀具寿命长；(5)可以实现加工过程的绿色制造。2高速低温切削制冷技术 可产生低温的方法很多，用于低温切削的制冷方法主要有低温风冷、液氮冷却和电子冷冻等。 2 .1 低温风冷 利用喷气冷却系统把10100的冷却气体直接喷射于切削区，并可根据加工要求调节气体的温度、流量等参数以满足加工要求。低温风冷可均匀降低加工区、刀具和工件的温度，有效抑制刀具磨损，提高道具耐用度，改善已加工表面的加工质量。常用的低温风冷介质有空气、氮气和cO2等。 （1）氮气流切削法 专用氮气发生装置把空气中的O2、CO2和水排出，提取氮气，并将这些常温氮气喷入切削区。特点：缓解金属材料的氧化过程，降低温升。温度略低于室温。 （2）超低温冷却切削法 在一定压力作用下，将液氮或是CO2液体送入切削点。特点：代替大量使用油剂切削，技术难度大、成本高。 （3）低温冷风切削法 将压缩空气的温度降低(冷风)和少量的水、润滑油充分混合形成气液两相低温紊流(即雾状射流)，以一定压力、速度喷射进入切削区，实现低温切削。特点：对切削点实施冷却、润滑和排屑，使切削点低温化。 2 .2冷却液冷却 利用液氮进行低温(超低温)切削加工，就是利用液氮使工件、刀具或切削区处于低温冷却状态进行切削加工的方法。它可分为2种形式应用：直接应用，即把液氮像切削液一样直接喷射到切削区，可显著降低切削温度，提高加工精度和表面质量，延长刀具使用寿命。间接应用，在切削加工中用液氮冷却刀具或工件。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下工作。 2 .3 电子冷冻 采用热电制冷器制冷可实现对工件冷冻夹持，同时切削区温度低，使低温加工成为现实，可解决一般常用材料及某些特殊材料的加工问题，特别适宜于薄片件，韧、黏性材料的加工。尤其是冷冻磨削的研究与应用，解决了烧伤问题及各种材料的磨削问题，它把冷冻加工新技术的研究推进到生产实用阶段。同液体冷冻降温比较，电子冷冻是从冷板接触面处开始，经工件内部向表面冷却，对金属材料讲能冻透，属内冷式，故可克服外冷式内部不易达到低温的缺点。 2 .4磁制冷磁制冷方式是一种以磁性材料为工质的制冷技术，其基本原理是借助磁制冷材料的可逆效应，又称磁卡效应(MCE )，即磁制冷材料等温磁化时温度升高向外界放出热量，而绝热退磁时温度降低从外界吸收热量，从而达到制冷的目的。1997年美国依阿华大学Ames实验室和美国宇航公司组成的科学小组成功研制了室温磁制冷样机。随着研究的深入，磁制冷方式可能在低温切削方面得到应用。 3高速低温切削技术的研究(1)材料的低温切削性能研究美国SYHong在液氮冷却超低温状态下，对车削加工方法进行了研究，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，其性能决定于黏结相的数量。而高速钢材料，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。同时还对低碳钢、高碳钢、轴承钢、钛合金、铸造铝合金等材料低温下的切削加工性进行了研究，表明：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。(2)低温切削的力学性能研究胡华南等对局部急冷切削加工进行了研究，对急冷切削过程中切削变形区的温度场进行数值模拟计算并经实验验证，研究结果显示局部急冷切削加工可使工件表面获得残余压应力，或降低残余拉应力，从而改善工件表面质量，对解决或减少关键零部件的非正常失效有重要意义。(3)低温冷风切削的研究巩三动等的滚齿试验研究说明低温冷风切削法抑止切削热的能力比纯冷风射流冷却、传统油冷却等要好，而且能延长刀具寿命，并能得到理想的切屑形态。重庆大学贺静等人实现了硬质合金刀具加工2WCrNi工件实现了低温冷风车削，并探讨了冷风切削技术对硬质合金刀具寿命的影响因素。西安石油大学的彭海等提出低温冷风油雾喷射法亚干式深孔切削加工方法，基本原理是将压缩空气通过冷却装置冷却到一10 一40。通过深孔钻床上的进气装置将高压冷风经钻杆外壁和被加工孔孔壁之间输送到钻头的切削部位，冷却深孑L钻并将钻削切屑从钻杆内孔向后排出。这种加工方法与传统深孔加工方法相比不仅能减小深加工的能耗，降低加工成本，提高综合效益，而且能减小对工作场所及环境的污染。(4)电子冷冻加工的应用范围电子冷冻技术可进行精、光、深、细、薄、小零件的加工，如：电子冷冻车削可使薄片件的加工厚度到035lnnl以下；电子冷冻磨削可解决各种材质的磨削问题，并不改变原始材料的磁性能，也不会出现烧伤；电子冷冻铣削可对橡胶、塑料、不锈钢、铝合金、 低碳钢等进行铣削，加工效果优于普通铣削，非金属材料的电子冷冻切削解决了这类材料切削加工困难，有的甚至根本无法进行机械切削加工问题，另外电子冷冻还可实现低温断屑。沈阳工业学院对电子冷冻切削加工进行了系统的研究，采用电子冷源冷却刀具，并研究了冷冻装夹等问题，取得了较好的加工效果。(5)低温切削的控制技术低温切削和常规切削比较，多了一套冷却系统，因此加工过程复杂，加工中需控制的因素增加，给设备的控制提出新的要求。所以用常规的控制方法来实现低温加工过程的自动控制，很难得到良好的控制效果。赵红雁等针对低温加工过程的复杂性、精确数学模型难以建立的特点，建立了低温加工模糊控制系统，设计了自寻优模糊控制器。试验仿真结果表明，这种控制器具有快速、准确和超调量小的特点，获得了满意的控制效果。而贾春玉等提出了低温加工控制的模糊智能化方法，设计了参数自调整的智能积分Fuzzy 控制器。试验仿真结果表明，这种控制器兼顾了稳定性及快速性，获得了满意的控制效果。4高速低温切削的应用(1)钛合金的低温加工钛合金在加工时易产生表层加工硬化，钛元素的活性大易形成表面污染层，使切削力变大，同时由于钛合金的导热系数小，从而切削温度高，因此钛合金是典型的难加工材料。在钛合金的高速切削过程中，为降低切削区温度、防止刀具的氧化磨损，苏宇等进行了低温氮气射流条件下高速铣削钛合金的试验。结果表明，低温氮气射流结合微量润滑能够有效地降低铣削力，抑制刀具磨损。魏树国等为研究钛合金低温铣削时对表面粗糙度的影响，通过对BT20钛合金的低温切削试验，证明在保证工件同样的加工表面粗糙度情况下，低温切削时的速度明显大于常温切削时的速度，从而能够改善钛合金的切削加工性。(2)高锰钢的低温切削高锰钢也是典型的难加工材料，高锰钢的加工方法主要有加热切削法、磁化切削法和低温切削法等。万光珉等用液氮冷冻工件的低温切削方法对ZGMnl3进行了低温加工试验，试验分析表明，高锰钢的低温切削在降低加工硬化程度、稳定切削力、易于断屑和降低表面粗糙度方面是有效的，不利的是工件的热变形严重损伤了刀具。(3)淬硬钢的低温加工淬硬钢是高硬度、高强度钢，但难加工性限制了其应用，为了改善淬硬钢的切削工性，采用液氮喷淋式在数控机床上进行了45淬硬钢的低温加工实验，可以提高刀具的耐用度，工件表面加工质量得到改进。(4 )铝合金的低温加工铸铝合金的切削加工性与材料的化学成分与金相组织状态有关，因其硬度和熔点都比较低，故在采用硬质合金刀具铣削加工时，刀具磨损剧烈，切削量增大时造成工件热变形，影响加工精度。广州摩托集团公司采用气旋制冷技术对摩托车发动机铝合金壳体进行干式切削的新工艺试验。在发动机的左右曲轴箱、盖，特别是缸头加工工艺路线中，采用气旋制冷技术，选用一定数量的人造多晶金刚石刀具改进关键部位加工工艺，提高了发动机产品质量和生产效率。此项工艺可以推广到其他铸铝 材料工件的加工。(5)不锈钢的低温加工由于刀具磨损极其严重，金刚石刀具一般不能用来加工黑色金属。美国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试验，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，其表面粗糙度达到月25 nm。美国国家标准技术学会(NIST)和LosAlamos国家实验室(LANL)的研究人员研究出一种低温钻石切削方法，可以在不锈钢零件上形成光学质量表面。这种低温切削方法可用来加工紧凑式圆盘读出器、条型码扫描器及其他一些装置上的光学元件。采用低温加工技术可使钻石切削法的应用范围扩大到不锈钢、钼、钛等一些有用的材料。(6)工程陶瓷的低温加工工程陶瓷(含96A103)具有良好的耐磨、耐腐性，可用于制造机械零件，但加工困难，国外学者用聚晶金刚石车刀对工程陶瓷进行了低温车削(液化氮冷却)试验，得出了一些有用的结论。(7)非金属材料和复合材料的低温加工非金属材料有的导热率极差，切削热量的产生和积聚是一个相当严重的问题，它能引起非金属材料的变形和熔化，有的根本无法进行机械切削加工，同时会烧损切削刃口，降低刀具寿命。而低温加工可在一定程度上解决此类问题。国外学者对复合材料KFRP进行超低温冷却加工，使用液氮不间断冷却，极大地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。其他试验表明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。参考文献：I魏树国，马光锋低温加及其应用J现代制造工程，2003（12 )：ll6一ll92白晓丹，刘静低温加工技术及其发展现状分析J低温工程，2005 (I)：25293孙建国，刘镇昌李久立液氮冷却在切磨削加工中的应用J机械