（机械制造及其自动化专业论文）油膜水滴切削加工技术的研究.pdf

擒簧 摘要 2 l 鬟鳃怒生产王厂邋求生态期王与零瓣教璺三产豹辩我，王簸，圭产须对鄂凌 影翡袋夺。魏瓤嘏翻工嚣蠢，韬溪、藏裁麴王遥稳申大黧缀强餮震露毒瓷密鹣 传统期王滚秘大爨瓣藏热王黢液静蠖牧遥切鬻要改变。 乍淹对豢，多静以簸小 爨漓懑帮麓王滚滚减羹为溅粼静瓤魏王液形态强予熬工、冷风霸王，以及藏惩 冷j 魂、霹舞然隧瓣漆麓窝泰经囔雾形袋微篷承、徽爨灌巍激爨瀵貘麓零滚等绿 惫辍搬秀瑟工溅寒餐戗健绞麓王滚，逡年来农发达黧絮褥到了磺究、嚣发与实藏。 这魑形态敬麓王渡筑敬罄疆壤、节键麓源鞠淹低戏本；尽黪焚冷帮镶憝不及传 绞麓王渡鲡举纯渡、霹溶液翱溶辩滚，餐采取缡会斑王砖鬈葶霹条彳警熬多榉纯麓 王滚对蘩不仅卡分必臻露鬈怒一条减多麓王壤滚鹣露效途缎。我溪程这方瓣麴 磷窕才躅溺熬步，耢褒开发蜀蠡然分掰露不霉任露楚淫、嚣滚滚撩羧、廷缓晶 废繁瑗、竣格便纛弗其鸯建好澜潺秘冷龆4 等谯懿环境盔逶森爱热王波澎态、生 态麴王与零瓣液警产藏套技零及供滚浚备，弑嚣褥卡分逑秘露蒙必要。 麓了穗潦瀵豫穰猿热王凌滚辩撩 菖人癸瓣筵壤煞骞秘掺曛臻壤鹣污染，本 文骧冷燕、徽鬟霹巍然酶鳜漓赛j 秘少爨窳为耱黧熬z 滚豹形番，聚麓复合搂雾 法形成徽爨演膜承漓攘王液，磅突焚彩蔽驭爨：并送露貔瑗姆馁试骏，确定簸德 控潮条 孛。零磅究滋荬罄代褥缓承溶毪嬲王波魏襞纯滚，戳秘王中，为试黢掇 臻，骚突其鞠l 辍瑗，逶嚣大蘩捷纯翻聚】：笼参数试验及凌工磁霹试骏，考察 荬澜溪鞠冷龆散袋，必实壤绿魏翻瀵与溥瀵絮产葵蹙褒论岛试验鏊獭。 荚键溺潦膜承潦蕊工滚；物疆耱瞧；袋滚系绞；趣工将瞧；麓王试骏 北京工业太学硕士学位论文 a b s 专r 建e l 秘l e2 le 蝴妇了i ss 糯h 馘a 萨洫娟商耋c o 一描a c h i 藏i n g 强dz e r o e m i s s i a 羚 p u r s u e d i nt h cm e c h a n i c a lm a c h i n i n g ，t h ec u r r e n ts t a t i l ss h o u l db ec h a n g e d t h a tal o t o fp o i s o n o u st r a 撕t i o n 龋m a c m n i n gn u 磁a r ec i f c l i n gu s e d 柚dp 1 翱t yo fw a s t e 叠u i d a r ed i s c h a r g e di nt h ep r o c e s so fc u 曲塔a n d 舒n d i n g i m p r o v et l l i ss 瓴t u s ，s o m e n e wf o r m so fm a c h 诅i n g 丑1 】i d ss u c ha sd r ym a c h i i l i n 岛c 0 0 1 c da i r ，o i lm i s t ，w a t e r m 堍藤so nw 箍t e r ( o o a 珏ds oo nw 撼e 量la r eb a s e do 搀t h e 两辩i p l e s 。f 瓣涟i m 麟 q u a n t i t y1 u 蜥c a l i o n ( m q l ) a n dw a s t en u i d s ，h a v eb e e nd e v e l o p e da n da p p l i e d 抟e e 藤yi n 氆ed e v e l 印醯e 。聪蕊e s 。确e s e 凫燃so fm 魏i 珏妇瞎鬟鞋蘧se 繇涵p r o v 嚣 、v o r kc o n d i t i o n s ，s a v e 霉n e r g yc o n s u m p t i o na 1 1 dd e c r c a s eo p e m t i o nc o s t s ，a l t h o u g h t h e 扛c o o i i n ge 强e c t sa 揩n o ta sg o o da s 锨斑i t i o n a 薹m a c h i r 娃n gf l 瑾d ss u c ha se m 啦s i o n h o w e v e r ，t l l eu s a g eo fd i v e r s em a c h i n i n gn u i d sc o m b i n e d 埘t ht h em a c h i n e do b j e c t a n dm a c h 越n gc o n d i t i o ni sa i le 丘t i v ew a y0 fb o mn c s s a r ya n dd e c r o a s ew a s t e n u i d s t h ed e v e l o p m e n to fi t 穗o l l rc o u n t r yi ss t i l lkt h e 如n i o fs t a g e 1 ti su 毽e n t 锄dn e c e s s a r yt od “以o pa na d a p t i v em a c k m n gf i u i d sf 0 1 m ，黼o - m a c h i m n ga n d z e f o 吨m s s i 锄m 巍蠢矗e 抛f e e c h 蕤o l o g y 黼鑫蠲毪i p m e n l 旗壤ld e c o m 舻s 曲i l 鲰 l o wp r i c e ，g o o dl u b r i c a t i n ga 1 1 dc o o l i n ga b i l i 峨n 优o fd i s p o s a l8 1 1 dw a s t ef l u i d s 式s c 魏a l 窘e ，w i 氇o u t 簪采秘m a 珏a g e 璜e n 。 i no r d e rt 0d e c r e a s et l l eh a h nt ow o r k e r sh e a l t ha n dp 0 1 l u t i o nt oe n v i r o n m e n t 韵mt h em a c h i 出gw a s t e 蟊试如o i l so nw a t e o o w ) m a c h i n i n gn u i d sa r cp m d u c 甜 t h f o u g hc o m b i n e dm i s t 。tw i 也c o o l e da i r im i n 主m a lo i lw i t l ln a t u r a ld e c o m p o s a b i l i t y a n dc o n s i d 喇b l eq u a n t i t yw a i 盯i n 也i sa n i c l e o 也e r 州s e ，t l ep r i n c i p l eo fi t i s r e s e 甜o h e d ，攮ee x p e r i m e n t 幻o u li t s 西y s i c a lp e 蠢b 滩强e oh a sb e e 娃d o n e 撼di t sb e s t c o n t m l l e dc o n d i t i o na 】s oh a sb e e ne n s u r e d i nt h i sr e s e a r c h ，o o wn u i d sa r eu s e dt o 转p l a c e 氆et f a 锺箍。豫l 搬a c h i 羲穗簦蠡硅i d ss 毡e h 鑫s 霉m u l s i o 歉i 拯e h t i 轮g 孺e o h a 蠡i s 弗i s r c s e a r c h e d i no r d e rt oe x a i l li 协1 u b r i c a t i n ga n dc o o l i n ge 丘宅c t ，a1 a r g en u m b e ro f e x p e f i m e n t sf b ro p 矗n i z i n gc u 往i n gp a f 越e t e ra n dm a c h i n i n gc o n t r a s th a v et e e n j 1 c 硎e do u to nt l i em a c h i n i n gc e n t e rm a c h i n e a l lo ft h e s ee s t a b l i s ht h e o r ya 1 1 d e x p e r i m e n t b a s e m e n tf o rt 1 1 er e a l i z a t i o no f g r e e nm a n u f a c t u r e a n d c l e a n l y p r o d u c t i o n k e yw o r d s0 i l so nw a t e “o o w ) m a c 上1 i n i n gn u i d s ；p h y s i c a lc h a m c t e r i s t i c s s u p p l y i n gn l l i d ss y s t e m ；m a c h j n i n gp e r f b m a l l c e s ；m a c h i n i n ge x p e r i m e n t s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：塑垒叁日期：业 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北：京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签名：媚曼冬导师签名： 圣丝叁日期：翌 1 1 课题研究的背景 第1 章绪论 近年来，环境问题已成为全球社会问题。为了保护生态环境，联合国环境组 织制定了t s 0 1 4 0 0 0 国际标准，为各国的生态环境保护提供了技术标准。2 1 世纪 是生产工j 追求零排放生产( z e r o e m i s s i o np r o d u “o n ，除制品外，无废液、废气 和废弃物排出) 的时代，这要求改善作业环境、节省能源和降低牛产成本。就机 械加工而言，加工废液是污水处理中较难处理的一种，加工废液的处理已成为各 国制造业的主要议题。 众所周知，机械加工过程中会产生热( 刃削热和磨削热) ，而热会导致加工精 度的降低。为了消除加工热的影响，机械加工中使用传统加工液( 油性加工液和 水溶性加工液) 来达到冷却、润滑与冲洗效果。随着现代高速加工生产的发展， 水溶性加工液，如乳化液( e m u l s i o nn o o dc o o l a n t ) 、溶剂和溶质大量循环使用。水 溶性加工液与油性加工、掖相比劣化速度快，从而导致其加工废涟的排放速度也 快，这种世界范围的加工废液大量排放便造成了严重的环境问题。需要注意的是， 加工液中含有对人体有害的硫磺、磷、氯等成分的极压添加剂和表面活性添加剂， 以及加工过程中细小切屑的混入，从而导致加工液中的添加物分离困难；园添加 物不易自然降解，加废液便难于回收利用。如果加工废液未经处理而排放，就 会对自然环境产生极为不利的影响，然而，处理这些大量排放的加工废液需要大 量的投资和处理费用。此外，高速生产加工中大量循环使用油性加工液( 如矿物 油和极压油) ，增大了火灾发生的可能性。从改善作业环境、节省能源和降低成本 观点出发，我国机械加工业的这种现状亟需改变，研究开发町自然分解而不需任 何处理、无废液排放、无须品质管理、价格便宜并具有良好润滑和冷却特性的环 境自适应型加工液形态、加工成套技术及供液设备，就显得十分迫切而且必要。 如图1 1 所示l ，通常直接计入传统加工液的总消耗费用包括油剂或原液成 本费、品质管理费、废液处理费、能耗费、水费( 稀释、清洁用水) 、排污费( 包 括捧烟处理) 、防灾费、设备维护费和搬运费等。虽然传统加工液总消耗费和工 具费是影响加工成奉的主要因素，但加工总费用却与制品所要求的精度或作业性 及相关联的生产性密切相关。下面分析传统加i ：液对经济、环境和社会的影响： 及相关联的生产性密切相关。下面分析传统加工液对经济、环境和社会的影响： 鹜1 1 接统翻王滚黠割赫蕊费羯蠹孽影蝻 f i g u 心1 - l1 n n u e n c e t oc o s to f t r 鲥j t i o na l m a c h i n i n g f i u i d s ( 1 ) 品质管理赞 在长蘩镁蹋翡情况下，簧统翻工液必须定赣更换。魏工渡更换逢国如下：切 削性能低下，浓度管理，定期防腐剂、防锈剂的添加，净化装鼹的维护，储液箱 中赘韬藩定籁去除，漏滴( 润滑漓) 静黼丘等。一簸油靛加工液更换溺期为6 1 2 个月，而水溶性加工液为3 6 个月，有时甚至更短。油性加工液如矿物油和极f k 油，晶质劣纯速度比较後，板需定期补充，後能长耨使用；但缺点是：易发生 火灾如混入水的话，防锈作用和工具寿命均会受到影响。水溶性加工液如乳 化液、溶荆和溶质，不用担心火灾，魈需要避行浓度管理及采取防锈_ 手【_ l 防腐坏的 第1 苹绪论 措施。 ( 2 ) 生产工厂的能源消费 通常生产工厂的用电量占各行各业总用电量的3 0 以上，而加工机床设备的 能源消费占生产工厂的8 0 。比如一台加工中心的能源消费比例大致是：传统加 工液供液系统5 3 ，主轴2 0 ，压缩空气1 0 ，排风扇和液压系统各7 ，其它 3 。如果使用绿色机械加工液，可节省能耗3 0 以上。由此可见，使用绿色 机械加工液具有节省能源，增加切屑回收利用及减少废弃物的效果。 ( 3 ) 加工废液处理费 废液处理方法如表1 1 所列： 表i i 加工废液处理的形式与分类 t a b l e1 - 1t h et y p e 锄dc l a s s m c a t i o no f w 如t e 们u i dd j s p o s a i 形式分类 物理处理沉淀分离、气浮分离、过滤分离、离心分离 化学处理絮凝法、酸化还原法、活性炭吸附法、离子交换法 生物处理活性污泥法、生物滤床 燃烧处理 焚烧处理 般生产厂家的水溶性加工废液处理方法比较简单处理方法采用絮凝沉 淀法，在废液池中投入絮凝剂使废液中的悬浮物沉淀，沉淀后的上清液经下水道 排放，而沉淀物未经任何处理便被填埋。一般油性加工废液则采用絮凝沉淀法和 焚烧法。由于含有硫磺、磷、氯等添加剂，油性加工废液不易进行固液分离，而 燃烧时又会产生二恶英( d i o x i n s ) 有毒物质，这需要进行深度处理。图1 2 所示 是汽车制造厂排污流程图。 图1 3 为水溶性加工废液的实际处理结果。由图可知，加工废液的处理与 处置不仅影响到生态环境，而且其投资和运行处理费用高昂，这对中小企业是个 很大的经济负担。 ( 4 ) 传统加工液对操作人员的健康危害 从事机械加工作业的操作人员，手、腕等部位长时间与传统加工液接触的机 会较多，加上切屑等容易划伤，使用方法不正确时就易引起皮肤炎症( 图】4 所 示) 。 北京工业学硕士学位论文 离心分离机 1 【_ 一 i 上清液 ：l 废液储槽 。_ j l 下清液 二卜 焚烧 巫亘圃叫亘圈j 图1 2 排污处理流程图( 汽车制造厂) f i g i l r e l - 2f 1 0 wc h a r t o f w 硒t e d i s p o s a l ( c a r m 卸u f a c t l 玎e f 如t o r y ) 图l - 3 水溶性加工废液的实际处理结果 f i g u r el - 3f a c t u a ld i s p o s a lr e s u l to f w a t e r - s o l u b i l j t yw a s t en u j d 一般来说，对于油性加工液，易引起油性皮炎，主要原因是矿物油对皮肤的 刺激、油脂腐败成分或细菌的作用、添加剂的刺激等。而且，矿物油的脱脂、刺 激作用，按汽油一煤油一轻油一主轴油一机油的顺序逐渐减弱。对于水溶性加工 液，表面活性剂的脱脂作用易使皮肤红肿、化脓。此外，高速加工中油性加工液 加丁废液二生活排水二雨水 的使用，由于发烟或分解气体的产生以及油雾对周围环境的污染，造成作业环境 的恶劣，容易引起操作人员的呼吸道疾病。 图1 4 传统加工液对皮肤的刺激作用 f i g u r e1 4t h eh a t l dh a m e db y 仃a d i t i o n a lm a l l u n 肛n u i d 1 2 国内外研究状况 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 理己受到环保法规日益严格的制约。目前，考虑到环境问题，发达国家几乎所有 的加工行业都在朝少、无切削加工液的方向努力，实现彻底消除切削加工中切削 液对环境的污染，节省能源。显然，切削、磨削加工中大量使用加工液的方式亟 需改变，迫切需要研究开发新的加工液形态、供给方法及加工技术。 1 2 1 现代切削液技术的新特点 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： ( 1 ) 高性能、长寿命、低污染切削液的开发及废液处理技术研究2 l 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 北京工业学硕士学位论文 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已成当务之急。目前，我国水基切削液的使用范围越来越 广，且已开始从乳化液向性能好、寿命长的合成切削液、微乳化液过渡。在发达 国家，微乳化液已普遍使用，并正在大力研究环保型切削液。 目前，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。 ( 2 ) 切削液的适当用量1 2 】 传统的切削液供液方法常采用浇注法，尤其对于水基切削液，通常是将一定 压力、较大流量的切削液喷射覆盖到切削区，以起到润滑、冷却等作用。在加工 条件发生变化时，如在更换工件材料或更换刀具类型及几何参数的情况下，通常 也不会( 或很少) 调整切削液用量。美国密执安技术大学对切削加工中有关切削液 的适当用量问题进行了研究，试图在满足加工要求的情况下，使切削液用量晟少， 与切削液有关的费用也降至最低。他们在福特公司所做的试验中，对切削液的浓 度、工件材料、刀具类型及几何参数等都进行了测试与研究，并对工件表面粗糙 度、积屑瘤和切削力等作了分析，通过试验得出了最适当的切削液用量。美 国t h y s s e n 制造公司正全力研究“最小润滑”加工技术m 】，使切削液液流或气雾通 过刀具作用于加工区域，切削液的流量由c n c 程序控制，效果十分理想。 ( 3 ) 开发传统切削液的替代品 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【5 l 。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1 6 】。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 国怀特州立大学的s y h o n g 和印度工学院的s ，p a u l 分别在车削和磨削加工中对 液氮冷却进行了理论和试验研究，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；同时液氮可显著降低磨削 区温度，减少磨削烧伤。液氯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 抽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 帚l 覃绪论 延长了1 0 倍，磨损降低l 4 叽美国标准和技术国际研究所的e v a n s 用金刚石刀 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，加工表面粗糙度 低于r a 0 0 2 5 u m 。 喷气冷却也是液氮的利用方式之一，直接用于切削冷却的不是氮气本身，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 。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 了极少量超精植物油的c b n 砂轮。试验表明，磨削后工件材料的残余压应力比 使用磨削液时要大，且残余应力的分布区域变宽，可显著提高零件的抗疲劳强度 和使用寿命。 ( 4 ) 干切削 目前，国外已有严格的法规限制某些切削液的使用，且废液处理费用极高， 如德国每年废液处理约耗资l o 亿马克。因此，在美国、德国等工业发达国家均 大力倡导采用干式切削工艺。目前采用干式切削加工铸铁材料已无问题，如美国 l e b l o n gm a k i n o 公司提出的红月牙”铸铁加工法【8 】 采用陶瓷和c b n 刀具，在 高速和大进给量加工时，使热量很快聚集到刀具前端，使其呈红热状态，当工件 被加热到3 7 l 。时，其屈服强度减小，可获得较高的金属切除率。铝材在发动机 及动力系统中应用量很大，因此铝材的干式切削也受到重视。据报道，b i g t k e e 公司的高速金刚石干式加工系统( 转速1 ，5 0 叫m i n ，用于变速箱上铝质通道板的加 工，加工精度达0 0 5 i m ，每小时可加工6 0 0 件，与磨削加工相比，每年可节约 3 0 0 多万美元【9 。另外，对钢和镁等材料的于式切削工艺也在研究之中。 在某些应用场合，可利用激冷气体及旋风喷雾器来降低切削温度，如喷气冷 却。有人预测，将来如采用高性能刀具材料和排屑性能极好的刀片断屑槽型，结 合使用冷却气体，可实现不再使用切削液的目标。 1 2 2 现代切削液技术的发展现状 在传统加工液替代品研究方面研究最多的是液氮冷却，已经研究出的液氮冷 却利用方法包括： ( 1 ) 将液氮作为切削液直接喷射到切削区。 ( 2 ) 另一种利用方法是问接利用，即不将液氮直接喷射到切削区。 北京工业学硕士学位论文 ( 3 ) 喷气冷却也是液氮的利用方式之一，直接用于切削冷却的不是氮气本 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 。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极少量超精植物油 的c b n 砂轮。试验表明，磨削后工件材料的残余压应力比使用磨削液时要大， 且残余应力的分布区域变宽，可显著提高零件的抗疲劳强度和使用寿命。 在干切削研究方面，目前采用干式切削加工铸铁材料已无问题，铝材在发动 机及动力系统中应用量很大，因此铝材的干式切削也受到重视。另外，对钢和镁 等材料的干式切削工艺也在研究之中i i 0 】。 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。目前在切削加工领域，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。 为了实现生态加工与加工废液的零排放，作为对策，日、美、欧等发达国家 近年来出现了新的绿色机械加工液形态：使用冷风( c o o l e da i r ) 的干切削【1 1 】，最小 量润滑( m i n i m 啪q 岫n t j t y1 u b r i c a t i o n ，m q l ) 的接近干切削( n e a rd r yc u m n g ) ，以 及微量油雾( o 订m i s t ) 、微量水雾( w 旮t e r1 1 1 i s t ) 、微量油膜附水滴( 0 i l so nw a t e r ，o o w ) 和复合喷雾( 0 i l 啦e rm i s t ) 的半干切削等1 1 2 】；所采用的油剂为可自然降解的植物 油或酯油( e 咖ro i l s ) ，所使用的冷风和水不含任何有害的添加剂。它们共同的供 给法大致如下：冷风由空气压缩机或制冷系统提供，微量可自然降解油剂或微少 量水或微量油加水经冷风和特殊喷嘴喷雾形成生态加工液，并经冷风送至加工 区，从而产生良好的润滑、冷却效果；又因使用量为微少量及一次性使用，多余 的水会被切削热蒸发掉，从而可实现零排放加工。 图1 5 所示为传统加工与绿色机械加工的比较示意图。图1 6 所示为在普通 外圆磨床上分别应用冷风和可溶液( s o l u b l ew a t 神进行磨削加工，可知冷风加工 的磨削比约为可溶液的4 倍。图1 7 所示为在加工中心上分别应用乳化液 ( e m u l s i o n ) 及微量油雾( o i lm i s t ) 、微量水雾( w a t e rm i s t ) 和微量油膜附水滴( 0 0 w ) 生态加工液进行铣削加工，可见使用0 0 w 加工液所产生的铣削力比乳化液减少 约3 0 。表1 - 2 表明了不同的加工液与环境保护、润滑和冷却作用的关系，与传 统加工液比较，绿色机械加工液有利于环境保护，其中o o w 加工液具有明显的 第l 章绪论 优势。基于绿色机械加工技术的经济、社会和环境效益显著，近年来，r 本东洋 株式会社将冷风发生装置导入加工中心机床以代替传统的冷却系统，从而实现冷 风加工【1 3 】；日本名古屋工业大学和大同金属工业株式会社共同研制出绿色机械加 工液供液设备，该设备既可为单台机床供液又可为多台机床集中供液，可分别实 现冷风、微量油、微量水和微量油膜附水滴加工【4 1 ：日本h o r k o s 株式会社1 1 5 ”j 、 美国u n i s t 公司、欧洲e x c e l l o 公司【1 8 】等，将m q l 的接近加工技术导入加工 系统，开发出各种加工设备。种种迹象表明，发达国家特别是日本在绿色机械加 工领域的技术与产品的研究开发方兴未艾，呈现勃勃商机。 油雾空中扩散排烟处理( 一g 英11 油寡空中不扩教、作业环境干净 夏口角咂巫固 图1 5 传统加工与绿色机械加工的比较示意图 f j 叫r e 】- 5c o m da 珀_ i i o nb e t w e e n 州i t i o n a lm a n u f h c t l l r e 柚de c o m a n u f h c t u r e 可溶液 冷风 妯艚t s n 8 0 j 7 、t 7 ，s 、v o f 轴- 艇双 i 5 o 弧c ，o i “cl 葛t 鼽n # 哪、”2 2 ，m 棚 聱3 f h 鼙o _ 抛“ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 一 i )奠螂4 ( 肿 6 x ) 磨削比 图1 6 冷风与可溶液对磨削比的影响 f i g u r el - 6i n f l u e n c et og n n d i n gr a t i o0 f c o o lw i n da n ds o i u b l e 玎u i d 莰 北京工业学硕士学位论文 z3 r 条， 蕙；2 釜1 1 卫 。翟：k。篇=。嚣品 旋转速度与进给速度 图1 - 7 绿色机械加工与乳化液对铣削力的影响( 铣削铝合金) f i g u r e1 7l n f l u e n c et om i l l i n gf o r c eo f e c o m 蚴u f k t l l r ea n de mu l s i o n ( m i l la l u m i n u ma l l o y ) 绿色机械加工与传统加工相比，对环境的负担为零，其社会、经济和环境效 益如下： ( 1 ) 从源头上实现机械加工废液的零排放； ( 2 ) 彻底消除有毒有害的传统加工液对操作人员的健康危害和作业环境的 污染； ( 3 ) 使用冷风、可自然降解油剂和水，切屑回收利用率1 0 0 ： ( 4 ) 传统冷却系统、废液处理设施等不需要，节省能耗2 0 以上； ( 5 ) 传统加工液的品质管理、废液处理等不需要，降低生产加工成本1 5 以上； ( 6 ) 切削、磨削工具寿命延长2 倍以上； ( 7 ) 加工表面质量及加工效率提高。 第1 章绪论 表1 2 加工液种类与环境、润滑和冷却的关系 t a b l e1 - 2r e l a t i o n s h i po f m a c h i n i n gn u i d sa n de n v i r o n m e n t ，c 0 0 l j n g ，a 1 1 dl u b r i c a t i o n 加工( 液) 种类加工液形态供给法供给量( 参考值)环境保护 润滑作用 冷却作崩 2 0 0 3 0 0l m 传统油性加j 二液矿物油和极压油喷油法x ( 含添加剂和表面活性剂等) 乳化液、可溶液 5 0 0 6 0 0l ，| l 传统水溶性加j 二液 喷液法 溶解渡等 ( 含添加剂和表面活性剂等) 干加工 供给量低于传统切削油的 接近干加工( m q l )可自然降解油剂喷油法 1 0 风冷加_ t 冷风( 可加介质)喷气法) 2 0 8n m 3 ，m i n ( 1o o - 10 。c ) 微量可自然降解油剂( 无添加 微量油加工液雾状化微小油滴喷雾法 剂) 微量水加工液雾状化微小水滴喷雾法微少量自来水( 无添加剂) 可自然降解油剂和水 o o w 加工液微量油膜附水滴喷雾法 j ：1 0 0 5 0 0 ( ：很好。：良好：一般：差) ( ：v e r y 9 0 0 do ：9 0 0 d ：f 犯：b a i d ) 1 3 课题研究的理论与实际意义 为了实现现行生产工厂向零排放工厂的转变，从源头上彻底消除机械加工液 对环境的污染，改善生态环境、节省能源、降低生产成本，日、美、欧政府计划 对大量使用加工液的工厂实施逐年限定其加工液的用量及加工废液的排放量，并 对加工废液的处理及排放收取更高的费用，迫使工厂采用改善环境的先进加工 方法和手段以达到零排放工厂的要求。随着其加速实施严格的环保法规制度，今 后其汽车制造业可能会首先开始朝干切削或者半于切削方向发展，这一发展趋 势也是本课题立项研究的主要理由之一。显然，基于环境保护的机械加工方法和 技术的研究开发在这些发达国家已受到高度重视。目前，国内在绿色机械加工领 北京工业学碗士学位论义 域的研究刚刚开始起步。 我国拥有众多蜘飧金、化工、轻王、汽车、簸空靛天、造躲等企娥，摆鸯大 量的机械加工机床设备，8 0 以上机床如车、铣、钻、磨、镗、成型加工及齿轮 热工等橇凑仍然大量无疆蓬环缝燕窝各耱撬城麓工滚，对琢壤遮藏了极大莛誊， 不利于我国经济和社会的可持续发展。例如，一家拥有7 0 0 台机床的众业，每年 捧藏窳溶往鸯嚣工菠滚约1 6 e 穗。据统诗我国嚣蓠攘毒4 3 0 多万台壤庆，按这样计 算每年将排放水溶性加工废液约1 0 0 多万吨，而且生产厂家一般只作简单的处理 便进行簿藏，对生态环境十势有害。实现飘躐趣工中静零螽 敖无疑是实现清洁生 产、绿色制造、净化环境的关键。我国政府近年来十分重视生态环境的保护并制 定了许多对策。随着我国加入w t c i 、北京申煲成功以及国家清洁生产键进法 2 0 0 3 年正式实旌，这些对生产企业特别是重污染行娥如化工、冶金、汽车、兵 工、航空航天、轻工纺织等工业提出露高的要求，从而促使他们进行技术改造以 改善生产环境等。 综上所述，我们廒该从保护生态环境、绿色制造及经济可持续发展的观点出 发，深入研究机械如工中改善生产环竣、节省能源移降低加工成本的绿色枫械趣 工及蕻关键技术，研究使用冷风、微少量可自然降解油剂加水的绿色机械加工液 秘实城茹l ：凌镶妒及提赢骊工糕度的额挺熟工方法与热王技术。根据本文戆霹究分 析，来来几年内，环境对应型，适应溅和自适应型加工( 切削、磨削、研磨、抛 麦、特穆热工等) 、制造( 集戏、餐戆、虚拟、疆终、数字纯裁造等 与裹逮生 产技沭及设备的研究开发，将是制造姚发展的主流方向。显然，绿色机械加工是 j ( 李抟绫翔工豹匿大攘藏，其磅究藏采将可在裁造整孛攘广与警及瘦爱，并可实骚 对生产企业传统加工方法的全面改造及机床产品的升级换代，对美化环境、科技 逡步、经济建设葙享圭会发震，都将产叟极大豹推动 睾溺。因魏，绿色飘藏鸯鬟王方 法和技术不仪具有直接的经济效益、社会效益和环境效益，而且具有广阔的缎济 蘸景和长远意义。 。毒澡瑟的来源及主要研究内察 本谖题俘淹一磺应嗣基磁磷突，从改善生产垮境，节誊笺潺、蹲羝生产袋率， 保证戚提高加工精度及刀具寿命着手，研究油膜水滴加工液、供给方法与关键技 术。佟为吴 搴方法，筏蠲冷砜、微量可海然降解、淫裁鞫少量承( 无添麴翔，对环境 零负担) ，共用一个喷嘴使其雾状化，雾状化小水滴表瓶形成一薄层油膜。当油膜 1 2 第1 苹绪论 水滴形成后，经冷风吹到工件和刀具表面上，水滴和冷风不仅起到冷却作用，而 且担当运送油膜的作用。由于水滴表面油膜的扩张性，使最初到达活性很高的工 件和刀具表面上的油膜，期待产生良好的润滑效果。 主要研究内容包括： ( 1 ) 0 0 w 加工液的机理研究； ( 2 ) 特殊多段式喷嘴的开发、设计与研制及安装调试 这种特殊的多段式喷嘴主要用于确保冷风将微量可自然降解油荆和少量水 在喷嘴腔内充分雾化并形成9 5 以上的油膜水滴，其结构为多段式。 ( 3 ) 多功能供液系统的开发、设计与研制及安装调试 用于确保既能单独为机床提供冷风、可自然降解油剂、水，又能同时供给， 并能控制流量。 ( 4 ) 油膜水滴加工液的优化切削工艺参数试验 以车床和数控机床为试验机床，进行大量油膜水滴加工液的优化切削： 艺 参数试验。主要考察：切削参数和条件、喷雾条什、可自然降解油剂种类与粘度， 以及油、水、冷风供给量分别对切削力的影响：粘刀现象与防烟作用的有无。 ( 5 ) 油膜水滴加工液的切削比对试验 以车床和数控机床为试验机床，进行大量油膜水滴加工液与乳化液的切削 比对试验，主要考察：温度上升量、切削力、表面粗糙度、消费电力、润滑和冷 却效果及经济、环境效益评价等。 北京工业学硕士学位论文 第2 章传统加工液与绿色加工技术 2 。l 传统加工液 加工滚是糍切削加工f 爸接瘗女热工) 时必改善蟋削情况蕊拥敢貔震，绝大部 分为液体，但也可以怒气体或固体。因此，加工液是一个总称。在金属切削过程 中，浓予刀襄毒工锌、刀具与切震懿爨委阕存在缀大豹摩擦，致疆切女l 力、切削 热和工件变形增加，从而导致刀具磨损，并影响已加工表面的质量。加工液选择 褥当霹戳握毫刀具藤耀瘦窝生产率，黪羝甥到滠度，减少王件热变影，缳证鸯鬟工 精度，降低已加工表颂的粗糙度，降低功率损耗。 2 1 1 加工液的特性 2 1 1 1 润滑特性 加工滚豹润淆 筝弼，对韵# 热工来讲是指它减少翦刀面与韬满，精刀萄与工 件表顾之间摩擦的能力1 2 “。润滑性能的好坏，通常与加工液的渗透性、形成润滑 膜的麓力和润滑貘的强度有密切关系。渗透性好，才能使加工液瞬时流入切翻送， 在金属袁面上展开和粘附，形成一层牢固的有一定强艘的润滑膜，避兔或减小金 属与刀具的宣按摩擦。 加工液的润滑性熊与其渗透性、形成吸赠薄膜的率恩程度有关。淑体的渗透 性取决于它的表面张力和粘魔。表面张力和粘度大，渗透性萋。气体的粘性阻力 比渡体小、扩散能力强，容易渗透。润滑薄膜妇物理吸附和化学反应爨嵇董乍用形 成。化学作用主要靠含硫、氯簿元素的极压添加剂与盒属表面起化学殿应，生成 健会貔页残他学薄膜。壤摆添妇刘熬不同它可良在豢瀑下4 e 0 8 0 0 ) 捷边爨润 滑层有较好的润滑性。 嬲工滚弱润瀑效祭与翅巍l 速度、切翊辱凄、工 譬李芎精等谈爨条 孛有关口“。韬 削速腋对切削温度影响最大，而且还影响加工液渗透的时间。一般来说，切削速 度愈森，燕王滚靛澜潜效栗麓愈低。懑速凌粼薅，交子变形较夺，赘凌螽较大， 也不察易产生积屑瘤，加工表面粗糙魔较小，此时主要应考虑加工液的冷却作用， 这时淹羝切澍温度辩凝离刃鬟瓣奔l 凑穆青显薯皴采。切女l 浮魔越太，工 牟末季精强 度愈简润滑效果愈麓。故采用适当形态的加工液，就有可能改善加工过程的润 第2 章传统加工液与绿色加工技术 滑状况，从而达到提高加工效果的目的。 2 1 1 2 冷却特性 加工液的冷却作用主要是降低加工区域的温度。切削加工时，加工液可以带 走大量切削热，降低切削温度，提高刀具耐用度；减少工件、刀具的热膨胀，提 高加工精度；降低断续切削时的温度差和热应力，减少热裂等。在切削速度高， 刀具、工件导热性差，而热膨胀系数又较大的情况下，加工液的冷却作用尤为重 要。切屑、刀具界面间温度的改变，对刀具耐用度的影响很大，如高速钢刀具， 温度超过6 0 0 以上，硬度就会急骤下降，从而导致其耐用度迅速下降。 加工液冷却性能的好坏，取决于它的导热系数，比热、汽化热、汽化速度、 流量、流速等。一般来说，水溶液的冷却性能最好，油类最差，乳化液介于两者 之间而接近于水。水与油的导熟系数，比热、汽化热见表2 1 表2 - l 水油性能比较表 t a b l e2 - 1c o m p a r i s o no f p e r f b n n a l l c eb e t 、v e e nw a t e ra n do i 加工液种类导热系数x比热汽化热 j ( m s )j ( k g k )( j g ) 水0 6 2 84 1 9 02 2 6 1 油o 1 2 矗2 1 01 6 7 0 2 0 9 21 6 7 3 1 4 由于加工液的冷却作用主要靠热传导，由表2 1 可知，水的导热系数为油的 3 5 倍，而且比热约大一倍，故水溶液的冷却性能比油要好得多。 采用喷雾冷却法能使微小的液滴在高温下迅速汽化，从而吸收大量的热，可 显著提高冷却效果；加工液的流量越大，冷却能力越强，工件及刀具表面温升愈 小；加工液本身的温度对冷却效果影响也很大，采取降低加工液温度的措施，可 以明显提高冷却作用。 2 1 1 3 冲洗特性 在金属切削过程中，有时产生一些细小的切屑( 如切削铸铁) 或磨粒的细粉( 如 磨削) 。为了防止细碎的切屑及砂粒的粉末粘附在工件、刀具和机床上，影响工 件表面质量、刀具耐用度和机床的精度，要求加工液有良好的冲洗作用1 2 8 】。在使 用中，往往给予加工液一定的压力，以提高冲刷能力，迅速将细碎切屑及砂粒粉 末及时冲走。清洗性能的好坏，与加工液的渗透性、流动性和使用压力有关。而 渗透性和流动性的好坏又与加工液的成份有关。如加入剂量较大的表面活性剂和 北京工业学硕士学位论文 少量矿物油，用大的稀释比( 水占9 5 9 8 左右) 制成乳化液及水溶液，可增强加 工滚瓣渗透缝、滚魂链，大大挺裹其浚净效暴。裹速与强力磨剡融，逶裹压洚洗 法，可冲洗掉堆积在气孔中的切屑和脱落的磨粒，防止砂轮被堵塞起到良好的冲 洗效粱。 2 。1 1 4 防锈特性 为了终壹工 牛、瓤瘫、刀其不受褥围奔瀵( 螽氧、潮气、手汗等) 鹃瘸专虫，要 求加工液具有一定的防锈作用，这一点在某些行业( 如轴承、仪表业) 和地区( 潮湿 逢区) 尤为重爨。茨锈往能静好薛，敬决予麓工液本身的性憝帮加入髓蒴锈添加 剂的作用。 翔工液豹润滑、冷却、冲洗、稼锈作用并不是孤立的，它们有统一的方谣， 又有对立的方面。切削油的润滑、防锈性能较好，但冷却、洗净性能熬。若在水 溶液中加入适量的油性、极蕊添加帮、防锈添加荆，可以提高其润滑和防锈性能， 但有一定限度，否则会影响冷却和清洗性能。由此可见，要想获褥保 歪润滑：冷 却、冲洗、防锈四个毂能都最优的加工液是比较困难的，使用时应根据具体条件 和使嬲要求，台理选择加工波形态，辨进行会理配铡。 加工液除具有上述四项主要特征外，还应县有对人体无害、无刺激、不发舆、 不发霉、易瀵泡、便予挺存、原料来源丰室、使爆方便及馋揍矮寅等佐点。 2 t ，2 加工滚的种类和组成 2 。2 ， 热王滚豹瓣类 众属切削加工中常用的加工液可分为两大类：非水溶性加工液和水溶性加工 滚刚。 非水溶憔加工液主要是切削油，其中有备种矿物油( 如机械油、轻柴油、煤 淮等) 、蘑穰貉潼f 翔匿涵、猪涵等) 和黧灭毪涵、掇压添热裁鬣翻豹混合涵。它主 要起润滑作用。 承溶往搬工液有永溶液和乳纯滚两种。东溶滚的主要藏份为东并加入蹄锈 剂。也可以加入一定爨的表颟活性剖和油性漆加剂，而使其存一定的润滑性熊。 乳纯液是由矿物油，乳化剂及其它添翩帮配制的孚l 化浪和9 5 9 8 的水稀释而 成的乳白色加工液。这类加工液有良好的冷却性能，洗净作用也很好。 第2 章传统加工液与绿色加工技术 2 1 2 2 加工液的组成 ( 1 ) 非水溶性加工液的组成 非水溶性加工液主要是切削油，它是由基体油、油性添加剂，极压添加剂， 其它添加剂组成1 3 0 】。 矿物油是从天然原油中炼制而成的，它来源丰富，透明性和稳定性好。目前 使用的有多种型号的机械油和轻柴油、煤油等。矿物油在流体润滑状态下，有良 好的润滑性能，但不适用于边界润滑，边界润滑需要加入油性、极压添加剂。 动植物油有豆油、菜油、棉子油、蓖麻油、猪油等。复合油是将植物油与动 物油脂与矿物油混合而成。这类油在边界润滑状态下具有良好的润滑作用，但价 格较贵。 极压切削油是以矿物油为基础油，加入油性、极压添加剂和防锈添加剂配制 而成。它具有良好的润滑性能，并且具有比动植物油