（机械制造及其自动化专业论文）风冷条件下淬硬钢切削过程的仿真与试验.pdf

哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学f 论文 风冷条件下淬硬钢切削过程的仿真与试验 摘要 制造业是世界范围内经济增长的重要因素，制造业也是工业的基础，制造业一 直在寻找使生产成本降低的方法和提高现存工艺的效率。而切削加工是先进制造技 术的一个重要组成部分，切削加工是汽车、航空航天、能源、模具等制造业中主要 的加工技术和基础工艺，所以在切削加工中我们也要寻找降低成本提高效率的方 法但随着全球环境的同益恶化，人们对环境问题越来越重视。同时可持续发展战 略的提出，使得绿色制造得到越来越多的关注。使用涡流管的风冷却切削技术已经 成为绿色制造中的研究热点内容之一。因此，本文应用涡流管进行风冷却与干切削 对比试验，分析风冷却的效果，并采用有限元软件对切削过程进行仿真分析。 本文首先结合生产实际，参考国内外有关资料，对涡流管的制冷原理和能量分 离过程进行分析，构建了涡流管风冷却系统。 其次使用p c b n 刀具对高硬度材料c r 1 5 轴承钢进行干切削及风冷却切削试验 研究。分析实验结果表明，风冷却与干切削相比，其对切削过程中切削力、切削温 度、切屑形成过程等方面均有影u l i , j 由于金属软化效应，使得风冷却的切削力比干 切削切削力大；冷风加快了切削热在工件、切屑和刀具之间的传导，使切削区温度 降低，进一步减小刀具磨损，提高了已加工表面质量：风冷却切削时工件材料局部 冷脆，有利于切屑的剪切断裂，降低了切削负荷，切屑变形大。 最后，本文建立了一个聚晶立方氮化硼刀具在风冷条件下切削淬硬钢的有限元 分析模型。利用有限元软件d e f o r m - 3 d 对干式切削，风冷切削进行了建模仿真，有 限元仿真分析得到了风冷条件下切削过程的应力分布、温度分布，刀具磨损以及切 屑的形成过程，并对仿真结果进行了提取。还进行了风冷却干切削对比的仿真，仿 真结果呈现了与试验结果相一致的规律，仿真结果对风冷却切削技术的实际应用具 有一定的参考价值。 关键词涡流管；p c b n 刀具；j x l 冷却切削；有限元仿真 哈尔演理t 人学t 学硕i j 学位论文 s i m u l a t i o na n d c u t t i n g e x p e r i m e n t o fh a r d c u t t i n g u n d e ra i rc o o l i n gcu t t i n g a b s t r a c t t h em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yi sa l li m p o r t a n tf a c t o ri ne c o n o m i cg r o w t ha r o u n dt h e w o r l da n da l s ot h ef o u n d a t i o no fi n d u s t r y , m a n u f a c t u r i n gh a sb e e nl o o k i n gf o rw a y st o r e d u c ep r o d u c t i o nc o s t sa n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fe x i s t i n gt e c h n o l o g y c u t t i n gi sa n i m p o r t a n tp a r to fa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y , c u t t i n gi s t h em a i np r o c e s s i n g t e c h n o l o g y a n df u n d a m e n t a l t e c h n o l o g y i n m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y , s u c h a s a u t o m o b i l e ，e f f i c i e n c yi nc u t t i n g a st h ew h o l eg l o b a le n v i r o n m e n ti sd e t e r i o r a t i n gd a yb y d a y , p e o p l ep a ym o r ea n dm o r ea t t e n t i o nt oe n v i r o n m e n tp r o b l e m m e a n w l l i l e ，p u t t i n g f o r w a r do ft h es t r a t e g yo fs u s t a i n a b l ed e v e l o p ma e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s ，p o w e ra n d m o l d s ow os h o u l df i n dt h ew a yt or e d u c ec o s ta n di m p r o v ee n tm a k e sg r e e nm a n u f a c t u r e t e c h n o l o g yg e t t i n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n a p p l c a t i o no fa i r - c o o l i n gc u t t i n gt e c h n o l o g y o fv o r t e xt u b eh a sb e e na l r e a d yt h em o s th o tr e s e a r c ho fg r e e nm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y t h e r e f o r e , t h et h e s i sa p p l y st h ec o n t r a s tt e s tf o ra i r - c o o l i n ga n dd r yc u t t i n go f v o r t e xt u b e a n da n a l y z e st h ee f f e c to fa i r - c o o l i n g m o r e o v e ri ts i m u l a t e st h ep r o c e s so fc u t t i n gb y a n a l y s i ss o f t w a r e f i r s t l y , c o m b i n i n gw i t hp r o d u c t i o np r a c t i c e , c o n s u l t i n gd o m e s t i ca n do v e r s e a s r e l a t i v ei n f o r m a t i o n ，b a s e do nt h ea n a l y s i so fv o r t e xt u b e sc o o l i n gp r i n c i p l ea n dp o w e r s e p a r a t ep r o c e s s ，t h es y s t e mo fa i r - c o o l i n gw i t hv o r t e xt u b ei sm a d eu pi nt h i st h e s i s t h e n ，t h ee x p e r i m e n tr e s e a r c ho fd r yc u t t i n ga n da i r - c o o l i n gc u t t i n gi sd o n eb yu s i n g p c b nt o o lt ob e a r i n gs t e e lg c r l5 t h er e s u l t si n d i c a t et h a t ：c o m p a r e dw i t hd r yc u t t i n g ， a i r - c o o l i n gc u t t i n gh a st h ei n f l u e n c eo nt h ea s p e c t so fc u t t i n gf o r c e ，c u t t i n gt e m p e r a t u r e , c h i p f o r m a t i o n 。b e c a u s eo fm e t a ls o f t e n i n ge f f e c t ，t h ec u t t i n gf o r c ei sb i g g e ri n a i r - c o o l i n gc u t t i n gt h a ni nd r yc u t t i n g ，c o o l i n ga i ra c c e l e r a t e st h ec o n d u c t i o na m o n gt h e w o r k p i e c e , c h i pa n dt 0 0 1 t h i sm a k e st h et e m p e r a t u r eo fc u t t i n gz o n eb e c o m e l o w e ra n d r e d u c et h et o o lw e a r , a n dt h em a c h i n e ds u r f a c eq u a l i t yi si m p r o v e d t h ew o r k p i e c ei s 哈尔滨理t 人学t 学顺f 学位论文 l o c a l l yc o l ds h o r tb ya i r - c o o l i n gc u t t i n g , t h i si sb e n e f i c i a lt os h e a rf r a c t u r eo fc h i p ，r e d u c e c u t t i n gl o a da n de n l a r g et h ec h i pd e f o r m a t i o n f i n a l l y , t h ep a p e re s t a b l i s hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s em o d e lo fg l o m e r o c r y s tc u b eb o r o n n i t r o g e nt o o l ( p c b n ) c u t t i n gh a r d e n e ds t e e lu n d e rc o l da i r t h ep a p e ru s eu s ef i n i t e e l e m e n ts o f t w a r ed e f o r m 一3 di m p l e m e n tm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no nd r yc u t t i n ga n d a i rc o o l i n gc u t t i n g , a n dm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o no nd r yc u t t i n ga n da i rc o o l i n gc u t t i n gb y d i a m o n ds h a p et o o lw i t hf l u t ep r o f i l e w eo b t a i ns t r e s sd i s t r i b u t i n g , t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i n g , t o o lw a r ea n dc h i pf o r m e dp r o c e s su n d e ra i rc o o l i n g , a n dt h e na n a l y s et h e m m e a n w h i l e ，c o m p a r a t i v es i m u l a t i o no fa i r - c o o l i n gc u t t i n ga n dd r yc u t t i n gi sd o n e t h e s i m u l a t i o nr e s u l tc o i n c i d ew i t ht e s tr e s u l t t h es i m u l a t i o nr e s u l th a sc e r t a i nr e f e r e n c e v a l u et oa p p l i c a t i o no f a i r - c o o l i n gc u t t i n gt e c h n o l o g y k e y w o r d s v o r t e xt u b e ，p c b nt o o l s ，a i r - c o o l i n gc u t t i n g , f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文风冷条件下淬硬钢切削过程的仿 真与试验，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期问独立进行 研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或 撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：互柄唧捧日期：助7 年夸月胗r 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 风冷条件下淬硬钢切削过程的仿真与试验系本人在哈尔滨理工大学攻读硕 士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大 学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工 大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子 版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密，口在年解密后适用授权书。 不保密呸 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 立击棚巧 日期：彻7 年年月矽日 导师签名：剖献礼 日期：勿7 年中月日 哈尔演理t 人学t 学硕i 学位论文 1 1 课题背景和意义 第1 章绪论 制造业是世界范围内经济增长的重要因素，制造业也是工业的基础，制造 业一直在寻找使生产成本降低的方法和提高现存工艺的效率。而切削加工是制 造业的重要组成部分，切削加工是汽车、航空航天、能源、模具等制造业中主 要的加工技术和基础工艺，所以在切削加工中我们也要寻找降低成本提高效率 的方法。金属切削液在金属切削、磨削加工过程中具有相当重要的作用，选 用合适的金属切削液，能降低切削温度，提高表面质量等级，减少切削阻力， 成倍地提高刀具和砂轮的使用寿命，并能把切屑和灰木从切削区冲走，因而提 高了生产效率和产品质量，故它在机械加工中应用极为广泛。 金属切削过程中，刀具切入被加工材料，产生切割作用。被加工材料受到刀 具前刀面的推挤和摩擦，沿着某一斜面滑移，产生塑性变形，形成切屑。在切削 过程中，切屑以很大的压力及相当快的速度沿刀具面流出，被加工形成的表面， 不仅产生一定的塑性变形，而且以相当大的弹性变形抗力，作用于刀具的后刀面 上。由于金属的塑性变形、切屑与刀具前刀面的摩擦和被加工形成表面与刀具 后刀面的摩擦，在切削过程中，产生大量的热。有人估算，切肖过程中所消耗的 能量，只有1 - - - 3 以残余应力的形式储存于切屑和工件中，9 7 以上能量都转 化成热。其中约2 3 消耗于切屑的塑性变形，1 3 消耗于摩擦。由于刀具的切削 区域很小，摩擦产生的热量集中，因之切屑与刀具界面的温度很高。刀具在高温 下，硬度和强度都将大幅度下降，严重影响使用寿命。刀具的使用寿命与切削刀 具温度成反比1 。降底刀具温度，是提高刀具寿命的关键。降低刀具温度的主要 途径有两个：一是加速冷却，将热量及时散掉；二是降低刀具摩擦面上的摩擦系 数，减少热量的产生。合理使用切削液，是解决问题的丰要途径。 随着切削技术的逐步发展，在生产加工中切削液使崩也相应增多，进而在 切削液的使j e f j 过程中也出现了许多的问题。生产中常用的切削液有水基切削 液、乳化液和切削油三类。并根据加工要求添加有硫、氯、磷元素的极压切削 液，用以加工难加工材料。添加剂大大提高了切削液的使用性能，但切削液的 性能越好，造成的环境污染越严重，负面影响越突出。这些影响主要表现在以 下几个方面： 坠! ! 篓墨三当兰三：里= ：竺耋三 一是切削液的配制、使用、处理及排放均需消耗大量的能源和资源( 劳动 力、化工原料、油料和水等) ，调查资料表明，在欧洲汽车制造业，切削液的 成本占总制造成本的1 6 9 ，其中包括购买切削液的费用、使用切削液所需设 备费、维护及废液处理费用等。而刀具成本仅占总制造成本的7 5 ”。，如图1 1 所示。 图卜1 制造成本在生产加工中的分配情况 f i g1 1d i s t r i b u t i o no f m a n u f a c t u i e c o s t s 二是切削液中古有矿物油及硫、磷、氯等对环境有害的添加剂，如排放前 未经处理或处理不当，则会污染土地、水源和空气，严重影响动植物的生长， 破坏生态环境，对环境造成污染，不利于可持续发展战略的实施。 三是直接危害操作者的身体健康，切削液受热挥发形成的油雾、烟雾、气 氛、化学微粒和污染物容易引起各种疾病，甚至致癌，另外工件后续处理时还 会产生“二次污染 。尤其是近年来环境保护和人类健康同益成为全社会关 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。磨削加工中切削液的费用可 高达制造成本的3 0 左右。因此在2 1 世纪的制造领域里，资源利用台理、废 弃少、环境污染小、可进行良性循环的“绿色制造”将成为主要的发展趋势。 研究低污染与无污染的冷却润滑技术成为当前绿色切削研究的主要课胚之一。 1 2 清切削浩 l2 1 绿色制造的内涵 科学技术的迅猛发展，推动了世界经济的飞速增长，但同对也导致了影响 哈尔演理1 _ 人学t 学硕l j 学f 节论文 资源、能源、环境生态以及可持续发展等方面的许多问题，如：地球环境在加速 恶化，资源同趋枯竭，生态环境受到严重破坏，这些将危及到人类的生存和发 展。制造业是全社会消耗资源、污染环境的一个重要方面，据统计，制造业每 年约产生5 5 亿吨无害废物和7 亿吨有害废物，其污染物排放量占总量的7 0 以 上。传统的工业制造模式往往只关注产品的生产，缺乏环境保护意识，很少考 虑资源的有效利用，是一种“资源一产品一污染排放 的单向线性和非循环 的经济过程。目前，机械制造业大多数采用传统生产模式，这是一个开环的生 产系统，从原材料到机械设备的整个生产过程如图1 2 所示。为了解决这些实 际问题，按照科学发展观的要求来实现可持续发展，应大力发展和应用绿色制 造技术，这是制造业实施可持续发展战略的重要途径和实现方式。 图1 - 2 传统生产模式 f i g 1 - 2t r a d i t i o n a lp r o d u c t sm o d e 绿色制造( g r e e nm a n u f a c t u r i n g ) 是指在保证产品的功能、质量、成本的同 时，综合考虑环境影响和资源利用效率的现代制造模式，又称为环境意识制 造、无浪费制造。其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处 理的整个生产周期中，废弃资源和有害排放物最小，符合环境保护要求，对生 态环境无害或危害极少，节约资源和能源，使资源利用率最高，能源消耗最 低。在技术层面上，绿色制造包含：绿色产品设计技术、绿色制造技术、产品 的回收和循环再制造技术，它是精益生产、柔性生产、敏捷制造的延伸和发 展；作为一种指导思想，绿色制造则充满诗意并洋溢着温暖的人文关怀；具体 到食业，绿色制造体现了企业家的管理道德和社会责任。可见绿色制造是一种 大制造、大过程，它学科交叉、观念现代，对它的深入研究必将推动制造科学 的发展。发展绿色制造有一定的必要性。绿色制造近年来的研究非常活跃。美 国的一些国家重点实验室和国家标准技术研究，以及麻省理工学院、b e r k e l e y 哈尔演理丁人学t 学硕f j 学位论j 【： 加州大学等著名高等学校，均纷纷开展了这方面的研究。这些充分体现了绿色 制造的学科前沿性。绿色制造将涉及现代制造观的变革、可持续制造理论、2 l 世纪制造系统的体系结构以及大制造、大过程和学科交叉等一系统制造科学问 题，它的研究无疑将会推动制造科学的发展。 1 2 2 绿色制造工艺技术在机械加工中的应用 在机械加工中，绿色制造工艺技术主要是在切削和磨削上采用干切削、准 干式切削和干磨削的方法来进行加工。常规的加工方法例如车削、铣削、磨削 等，都需要切削液来帮助加工，在会属切削加工中选用合适的金属切削液可以 起到良好的冷却、润滑、清洗、排屑、防锈等作用，从而提高刀具寿命，保证 加工质量和加工精度，提高生产效率1 5 。现今大部分机器零件的加工，尤其是 在自动化程度较高的数控机床、加工中心和自动线上零件的加工冷却是以使用 切削液的湿式方式进行的。但是，随着高速加工技术的迅猛发展，加工过程中使 用的切削液用量越来越大，其流量有时高达8 0 - - 1 0 0 l m i n 。随着会属切削液的 广泛使用，人们发现切削液是金属切削加工的主要污染源。这些影响主要表现 在：1 大量使用切削液增加了制造成本。2 会对环境造成污染。3 切削液对操 作工人的健康造成威胁。随着人们对环境保护的重视和可持续发展意识的提 高，切削加工中大量使用切削液的加工方法将会受到种种限制。因此作为制造 业重要而应用广泛的加工方法，切削加工证面临新的挑战，在此背景下，绿色 切削加工技术应运而生。鉴于此，合理利用制造资源，其污染小、废物少的 “绿色制造”技术已成为制造领域的主要发展趋势，这就使我们把研究目标重 点放在干切削与准干切削技术上。 由于干式和准干式切削技术是在加工过程中不使用切削液或仅使用微量润 滑液的工艺方法。因此对于金属加工工业具有重要意义，体现在：( 1 ) 经济 性采用湿式加工时，与冷却润滑液相关的费用要占到零件制造成本的1 4 一 1 7 。因此，采用干式加工存在着降低产品成本的巨大潜力。( 2 ) 改善生态 环境冷却液的使用是造成环境污染、破坏生态平衡的莺要因素。( 3 ) 提高加 工效率例如，在干车削中用硬车削代替磨削，实现以车代磨提高加工效率。 1 3 实施清洁切削加工的途径 清洁切削技术是一种充分考虑环境和资源问题的加工技术，它要求在整个 加工过程中做到对环境的污染最小和对资源的利用率最高。清洁切削加工是指 哈尔演理t 人学r 学顾f j 学f 论文 对大生态环境和小加工现场都无毒副作用或作用很小，加工过程中产生少量的 三废( 废气、废液和废渣) ，在链条木端可回收或自然降解，达到无公害的环保 要求，对人及环境无害化的绿色环保切削加工。目前国内外对清洁切削的研究 主要集中在干式切削、准干式切削等方面。 1 3 1 干切削加工技术 随着数控化的普及、刀具制造技术的提高，金属切削机床的切削速度越来 越快、加工效率越来越高，随之所产生的切削热和刀尖温升也越来越快、越来 越高。由于机床主轴高速回转会在刀具周围产生离心高速、高压气流，依靠常 规加大切削液流量降低切削温升的办法已不能达到理想的效果。而切削液历来 是金属切削加工业的主要污染源，这些有害液体的大量排放，加工时的飞溅、升 腾，以至于粘附在切屑上的露天放置、长时间的泄漏、排放，最终会污染自然环 境与水源。此外，切削液相关的费用也在逐年增加，使得机械零件的加工成本逐 年上升。2 0 世纪9 0 年代仞，发达国家的专家们围绕金属切削加工过程对环境的 影响问题，进行了认真的研讨，各国政府都拔专款资助以代替油剂湿式切削、清 洁加工为目的干式切削加工工艺的研究。 干式切削技术即是在切削加工过程中完全不使用任何切削液，完全消除切 削液的负面影响，是一种理想的绿色切削加工方式。干切削是实现清洁高效加 工的新工艺，是制造技术向高速切削发展总趋势的组成部分m i 。干切削技术已 经在各国工业界和学术界引起广泛的关注。目前包括欧洲、美国和同本等工业 发达国家，非常重视干切削的研究，干切削技术已经成功应用到了生产领域，这 与这些国家的工业基础雄厚和环保法规特别严格有一定的关系。其中德国企业 尤为普遍，在大批量生产中，已有2 0 的加工采用干切削技术，并且取得了良好的 经济效益，世界许多知名的机床厂商在他们的产品目录中都有干切削机床加工 中心。同本在干切削方面也进行了大量研究，最近他们已开发成功几种不使用 切削液的干式加工中心。在其中的一种机床上，装有液氮冷却的干切削系统，从 空气中提取高纯度氮气。在常温下以5 - 6 个大气压的压力将液氮送往切削区， 可顺利实现干切削。 干式切削具有以下特点： ( 1 ) 切屑干净清洁无污染，易于回收和处理。 ( 2 ) 省去了切削液传输，回收，过滤等装置及相应的费用，简化了生产系统，降 低了生产成本。 哈尔滨理t 人学t 学硕卜学位论文 ( 3 ) 省去了切削液与切屑的分离装置及相应的电气设备。机床结构紧凑，减 少占地面积。 ( 4 ) 不会产生环境污染。 ( 5 ) 不会产生与切削液有关的 安全事故及质量事故。 干切削技术的开发已取得了 很大进展，有相当多的干切削工 艺已在生产中推广应用。在干切 削过程中，由于缺少切削液的润 滑、冷却、辅助排屑等作用，切 削刀具承受的负荷大，热源强， 切削温度高，刀屑界面是完全的 二相固体接触状态，刀具磨损过 程异常复杂，刀具和工件发生热 变形，刀具耐用度和加工表面质 图1 3 干切削的绿色特性总体分析 f i g 1 3c o l l e c t i v i t ya n a l y s eo fd r yc u t t i n g 细小但不容忽视的变形。残留切屑有可能导致夹紧误差、损坏机床导轨等问 题。所以干切削不是简单地停止使用切削液，而是在停止使用切削液的同时， 保证高效率、高产品质量和高的刀具寿命| 7 i 。 高速干切削的绿色特性如图1 3 所示。通过上述分析可知：高速干切削的 各个绿色特性指标都得到了协调优化，特别是环境指标得到了很大优化，与传统 的切削方式相比，干切削技术具有明显的优势，可获得生产效率高、加工质量 好、无环境污染等多重技术经济效益，具有很大的发展潜力。作为一种绿色制 造方式，高速干切削技术对可持续发展具有重要意义，是未来切削加工发展的一 个趋势。 在干切削的基础上发展起来的一些特殊的切削方式在某些材料和领域也有 较强的优势。如静电冷却干切削，其原理是将经过特殊类型小功率放电器处 理过的普通宅气送入切削区内，取代切削液的作用。导电加热切削，是在切削 过程中利用刀具和工件构成凹路并通以低压大电流，使切削区材料因电阻产生 热而软化，从而改善切削性能的加工方法。 哈尔演理丁人学丁学颁i ：学化论文 1 3 2 准干切削加工技术 干切削存在对环境无污染、对人体无危害、形成的切屑干净、易回收、省 去了切削液及相关费用等优点。但干切削加工需要具有较好性能的刀具和相应 的制冷设施，这就使得总成本提高，所以干切削在实用化方面存在一些弊端。 而准干切削技术既可满足加工要求，又可使与切削液相关的费用降低。干切削 的应用范围目前还比较有限，而完全的湿式加工又有诸多不足，若将两者相互 结合，即可满足加工要求，又可使与切削液有关的费用降至最低，将这种介于 湿式切削与干切削之间的加工技术称为准干切削技术。 准干式切削法是用气体加微量无害油剂代替切削液的切削方式，常见的有 以下几种方法【8 1 ： 1 m q l ( m i n i m a lq u a n t i t yl u b r i c a t i o n ) 微量润滑切削一种国外较为流行 的准干式切削方法，它在压缩空气中混入微量的无公害油雾，代替大量油剂对 切削点实施冷却、润滑和排屑。 2 氮气流切削使用低沸点介质，在压力作用下，将氮气发生装置所生成 的氮气送入切削点，代替大量油剂的切削方法。主要有两种形式：一是用液氮 自身瓶装压力喷射到切削区直接润滑冷却刀具，二是用液氮受热蒸发循环，间 接使刀具润滑冷却旧1 。 3 用水蒸气作冷却润滑剂的切削加工用水蒸气作冷却润滑剂大大加强了 冷却润滑的渗入能力，取消了液相渗入阶段；还保证冷却均匀，在硬质合金刀 具断续切削时效果很好，能提高硬质合金刀具的使用寿命。 4 涡流管制冷切削利用涡流管将压缩空气的温度降低到零下2 0 3 0 ，对切削区实施冷却、润滑和排屑的方法，这种方法与m q l 切削不同的是它 可以将切削点的温度降低。这种切削时使用冷风为刀具和工件冷却的方法，在 f l 本应用较广。 5 喷雾冷却技术喷雾冷却利用雾滴汽化散热的方法来实现冷却。雾化的 切削液滴易于渗透到切削区，能够充分发挥切削液的润滑作用，提高工件表面 质量和切削效率。 6 空气绝热膨胀制冷切削利用高压空气的绝热膨胀降低冷却气体本身的 温度，从而降低切削区温度完成切削任务。但其温度不易控制，成本较高。 哈尔滨理t 人学t 学硕i j 学f t 论义 1 3 3 新型切削液的使用 上述不污染环境的切削加工方法大都集中在无传统切削液的加工上，从目 前发展情况来看，上述加工方法虽然各有其特点和优势，但使用范围还很有 限，并且都面临切屑形成过程中润滑性差的问题，有时不得不使用一些润滑 剂。从目前情况看，在很长一段时f h j 内，大多数切削加工还离不开传统切削 液。因此，在保证切削液综合性能的基础上，人们于在大力推广应用低毒、低 污染的绿色切削液。研究开发绿色切削液的目的在于使切削液对人体健康和环 境不造成危害，其废液经处理所含油成分回收后可安全排放，残留废油和添加 剂在自然界可安全降解，不会对环境造成污染。因此，研究开发绿色切削液的 基本要求是：在切削液的配方组成( 包括基础油与添加剂的选用) 、配制方法及 工艺、使用方法及设备、废液的循环利用及处理排放等各个环节中应充分考虑 健康及环境要求。为此，应当将整个切削液的研究、开发及应用作为一个有机 整体，综合评判切削液对健康和环境的影响，使切削液在整个生命周期中对人 体健康和环境的危害最小。做到：原料绿色化；化学反应绿色化，达到“零排 放”污染物；反应条件绿色化，使用无毒无害的溶剂和催化剂等：产品绿色 化，使切削液产品成为在使用中对人体健康和环境无害的绿色切削液“。 1 4 低温冷风切削 1 4 1 制冷方式的分类 在切削过程中，刀尖切削点的温升对刀具寿命的影响很大，低温冷风切削法 就是向刀尖的加工部位和工件喷射零下2 0 。c 3 0 甚至更低的低温气流，产生 低温气流降温、排屑的作用。低温冷风切削形式却多种多样，如图1 4 所示是 一种典型冷风切削系统的构成图，它由四部分组成：压缩空气供给源、空气除 湿器、空气冷却器、绝热管、微量供油装置、风嘴、吸尘管和集尘器构成。压 缩空气经除湿器出去水分，然后将祛湿的空气送入冷却器，降温后再经绝热管 由风嘴将冷风送至切削部位提供给切削区，同时向加工点喷少量的无害植物 油，可以防锈并且起到一定润滑作用，在j x l 嘴的对面设有集尘装置以收集废屑 和风尘，最后通过集尘器内的过滤器将切屑滤去1 。 制冷的方法有很多种，但比较常见的制冷原理可以归纳为四类：涡流管制 冷、热点制冷、气体膨胀制冷和液体汽化制冷。目前实际作为切削用冷却空气 哈尔滨理t 大学1 ：学碗j 学位论z 鞠牛寻蜜 掣一一l 俨譬 o 田 l 一供风管2 一气源3 一除湿器4 冷游5 绝热管 6 风嘴7 - ? 1 2 1 ：8 - 7 j 具9 一微量油系统l o 集尘器 图i _ 4 冷风切削系统构成 f i 9 1 - 4s t r u c t u r eo f c o o l i n ga i rc u t t i n gs y s t e m 的方法有：涡流管的制冷方式、制冷剂的压缩机循环间接制冷方式、液体氮等 低沸点介质的间接冷却方式、用压缩空气的绝热膨胀直接制冷方式和等。 1 涡流管制冷方式如图1 - 5 所示，压缩空气以超音速切向高速射入涡流 管的涡流室，产生涡旋运动沿室壁和管壁旋转，在涡旋运动中由于涡流内外 气体存在压力差而产生温差，中心部分的气体为低温气体，外侧为高温气体， 热气流从控制阀一端排出，剩余的涡流气体返回管的另端，在返回过程中气 流的一部分能量转移到外层气体中，使自身的能量及温度继续下降，从另一端 排除冷气流。冷气流的温度与入口气体压力和排出气体流量有关。进气压力 低，产生的温差就小。涡流制冷方式运行可靠性高，结构简单，但制冷量小， 制冷效率较低- - “。 内删强迫涡 幽1 - 5 涡流管制玲 f i g i 5 r e f i f i g e r a t i o nb yv o r t e x t u b e 2 蒸气压缩式制冷蒸气压缩式制冷是同前制冷行业中应用最为广泛的制 冷方式，如图1 - 6 所示制冷剂气体被压缩机压缩后，在冷凝器中冷凝液化， 啃a 、滨理丁人学t 学预十学位论史 经节流阀节流降压后，在蒸发器中吸热气化，完成制冷剂工质的闭式循环。压 缩空气在蒸发器内与制冷剂间接交换，释放热量后，成为低温的空气。冷风温 度可通过蒸发器内的蒸发压力和制冷剂供液量调节。 蒸气压缩式制冷广泛应用在工业和民用行业中，温度范围广，成本低，控 制调节方便，制冷量可根据实际需要设计，是低温冷风切削中最为可靠的制冷 方式。 截k 目 压 筑 吲l 石蒸气压缩式制冷系统 f i 9 1 6 r e f r i g e r a t i o nb y v a p o rc o m p r e s s i n g 3 使用低沸点介质的间接冷却这种制冷方式属于相变制冷利用制氧厂 的副产品液氮为冷源，通过热交换器冷却空气，可将空气冷却到一1 0 0 以下， 温度通过液氮流量调节。在这种方式生产现场需要提供大量液氮，其实用性有 局限。 4 空气绝热膨胀制冷来自压缩机的常温高压空气进入膨胀机，在设定的 压力下绝热膨胀，温度降低，冷风出口温度由进入膨胀机豹气源压力和膨胀机 的出口气体压力以及膨胀机的性能决定，属于开放式直接制冷方式。冷方式结 构简单，气源无相变发生，能耗较低，但其温度控制不易，成本较高。 1 4 2 风冷却切削的国内、外研究现状及存在问题 1 国内研究现状在我国，有关低温加丁技术方面的研究及冷风发生装置 的商品化开发，最早始于重庆成f | 低温加工技术有限公司。蕈明伟、张昌义 1 9 9 8 年就申报了相关专利，名称是低温空气玲却装置，2 0 0 2 年在国家科技 创新基金的资助下，有关玲风切削技术的研究更为活跃，相关产品的商业性开 发取得突破。华东船舶工业学院的任家隆针对g c r l 2 、c r l 2 、4 5 钢三种材料分 哈尔滨胖- e 人学t 学硕l + 学位论文 别采用自然冷却、常温压缩空气、低温冷风、亚干式切削四种方式进行了切削 试验，认为自然冷却、风冷( 2 3 ) 和亚干式切削中切削热依次减少，风冷 的效果比干切削好，但不及浇注冷却，亚干式切削能保护被加工零件的尺寸稳 定性，提高刀具使用寿命，冷风温度越低，冷却效果越好，但冷j x l 温度和冷风 效果间不是完全的线性关系。但是其亚干式切削的添加剂是以滴注的方式添加 的，从使用量上无法精确控制，可比性也有欠缺“5 1 。刘存祥等采用自己研制的 o l 一8 型涡流管冷却切削j - 5 5 钢料，认为能有效地减少刀具前后刀面的磨 损，对导热系数小的刀具效果更好，这一方式在中国第一重型机械厂的铣床和 齐齐哈尔第二机床厂的钻床进行过试验。 国内低温加工技术方面的经典范例：重庆成黑公司使用c t l 系列冷风射 流机生成的- 5 5 低温冷j x l ，为航天部某厂完成了特殊薄壁零件的冷风车削。 该零件壁厚o 5 毫米，铝材，表面卡h 糙度达到r a 0 2 9 ，圆度保持在0 3 9 的公差 范围。哈尔滨某厂将c t l 系列冷风射流机用于高温合会、不锈钢的铣削加 工，不仅提高生产效率l 3 倍，并且还消除了污染。 2 国外研究现状目前，冷风切削技术的主要研究队伍集中在亚洲，特别 以同本为代表。1 9 9 6 年横川技术研究所横川和彦教授提出用低温冷风代替切削 液的方案以来，许多学者对此进行了探讨研究。 横川和彦和横川宗彦在对s c m 4 3 5 的轻切削的试验中，分别采用1 5 常 温空气、- 2 0 冷风和切削液几种试验工况对比，图1 7 是高速连续车削 3 5 g r m o 时车刀后刀面的磨损曲线，图中显示在连续和断续车削条件下，低温 冷风的效果均优于干切削”机1 7 1 。通过与其它工况的对比，认为冷风切削的效果 是明显的，但不如在冷风中供给微量植物性切削油的方案。与液氮类似，冷风 l ，常温风冷却断续下削 2 低温风冷却断续车削 3 常温风冷却连续乍削 4 低温风冷却连续乍削 c u t t i n gt i m et m i n 图l 一7 同冷却条什对断续和迮续卞削刀具磨损的影响 f i g 1 - 7e f f e c to fc o o l i n gc o n d i t i o n s0 nc u t t e rw e a r i n gi nc o n t i n u ea n dc o n t i n u o u sc u t t i n g 哈自；滨理t 人学丁学坝l 学位论土 在切削加工过程中的润滑性不够，特别在钻削、磨削等更为突出。在冷风中加 入微量切削油的方式也称为微量润滑混合系统( m m l ) ，图卜8 为使用t i n 涂层 硬质合余钻头进行钻削时f 舻= l i8 m m ，f - = - 0 2 r a m r ) 分别采用干切削、m m l 和 湿式切削时切削温度的随切削速度变化时的对比，从图中可知，采用m m l 可 明显降低切削时刀具的温度。 i 围 切目i 遗度v ( 一1 n ) 幽1 - 8 钻削时并种切削i 况r 切削温度的对比 f i g1 - 8c o m l “s o n so f c u t t i n gt e m p e r a t u r ei nv a d o u sd r i l l i n gw o r kc o n d i t i o n s 陈德成博士利用压缩空气将b l u e b e 切削液混合雾化后供给刀具的前刀面及 后刀面，采用涡流式制冷冷却空气到1 0 ( 2 2 0 。c 后供给切削点，对铁索体锈钢 s u s 3 0 4 f ( 开本牌号) 进行了切削实验，供气方位如图1 - 9 所示，并与使用水 溶性切削液g m l 5 、使用1 0 冷锋但不加b l u e b e 切削液的两种工况对比，认 为使用水溶性切削液g m l 5 时刀尖处易形成积屑瘤，冷风和微量植物性切削油 同时使用，可提高加工表面精度同时也延长刀尖寿命，同时微量切削油可防止 加工的零件生锈”8 “。 - 空，k 机2 - 涡流式制冷符3 - i ：4 y j 具5 - 给油机 幽l 一9 试验裂置示意刚 f i gi 9s c h e m a t i cd i a g r a mo f t f i a ls e t h；$ 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 3 存在的问题主要有以下几点： ( 1 ) 冷风切削对于不同的材料的影响是不同的，切削参数需要大量数据和 系统的实验才能取得，国内在这方面相当欠缺。 ( 2 ) 冷风在切削过程中吹入的不同角度、冷风的温度、冷风的压力等参数 并非固定的，对不同材料切削性能的影响程度研究不够。 ( 3 ) 冷风在切削过程中的冷却效果的研究欠缺量化。 ( 4 ) 需要系统地研究冷j x l 对切削过程中切削力、切屑折断、刀具磨损、表 面质量等一系列反映切削性能的参数。 1 5 仿真软件d e f o r m d e f o r m 是一个高度模块化、集成化的有限元仿真系统，它主要包括前处 理器、模拟器、后处理器三大模块。前处理器处理包括：d e f o r m 3 dp r e ， m a c h i n i n g ，f o r m i n g ，d i es t r e s sa n a l y s i s ，c o g g i n g 等部分，其中m a c h i n i n g 向 导现在只可以实现车削和钻削，d i es t r e s sa n a l y s i s 可以分析刀具磨损。还包括 模具和坯料的材料信息及几何信息的输入、成形条件的输入，建立边界条件，它 有限元网格自动生成器；模拟器是集弹性、弹塑性、刚( 粘) 塑性、热传导于一 体的有限元求解器：后处理器是将模拟结果可视化，支持o p g l 图形模式，并输 出用户所需的仿真数据。d e f o r m 允许用户对其数据库进行操作，对系统设置 进行修改，以及定义自己的材料模型等。 d e f o r m 的功能：( 1 ) 成形分析：冷、温、热锻的成形和热传导偶合分 析，提供材料流动、模具充填、成形载荷、模具应力、纤维流向、缺陷形成和 韧性破裂等信息；丰富的材料数据库，包括各种钢、铝合金、钛合余等，用 户还可自行输入材料数据；刚性、弹性和热粘塑性材料模型，特别适用于大 变形成形分析，弹塑性材料模型适用于分析残余应力和回弹问题，烧结体材料 模型适用于分析粉木冶金成形；完整的成形设备模型可以分析液压成形、锤 上成形、螺旋压力成形和机械压力成形；温度、应力、应变、损伤及其他场 变量等值线的绘制使后处理简单明了。( 2 ) 热处理：模