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切削用涡流管设计及风冷却切削试验与仿真 摘要 受到曰趋严格的环境与资源的约束和可持续发展战略的要求，工业生产 领域提出了绿色制造和清洁生产的概念。机械产品的制造过程是直接消耗资 源和产生废弃物的主要环节，因此零件的绿色加工工艺愈来愈受到重视。干 切削和准干式切削技术困其完全不使用切削液或使用低温冷却技术、喷雾冷 却技术、仅使用少量无害植物油等方法进行切削己成为绿色制造和清洁生产 的研究热点。涡流管风冷却切削技术采用低温冷风对切削区进行冷却和排屑 属于一种准干式切削技术，具有减小刀具磨损，提高刀具寿命，降低加工成 本，无化学污染等优点，因此对涡流管风冷却切削技术的研究具有重要的理 论意义和实用价值。 本文结合生产实际，参考国内外有关资料，在对涡流管的制冷原理和能 量分离过程分析的基础上，阐述了喷嘴、涡流管直径、热分离管长度、冷气 流扩压元件、调节阀等涡流管元件的基本原理，提出了切削用涡流管关键元 件的设计方案，论述了涡流管用于风冷却切削时的特点，同时介绍了涡流管 的应用。 本文构建了涡流管风冷却系统，并使用p c b n 刀具对高硬度材料 g c r l 5 轴承钢进行风冷却切削试验研究。试验结果表明风冷却对切削过程中 切削力、切削温度、切屑形成过程等方面均有影响：在高速切削条件下风冷 却切削力比干切削切削力增加约1 6 ，这是由于金属软化效应表现为风冷 却的切削力比干切削切削力大；冷风加快了切削热在工件、切屑和刀具的传 导，使切削区温度降低，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。 应用有限元软件对风冷却切削过程中切削力和切削温度进行了仿真研 究，仿真过程中考虑了涡流管冷风对切削区的影响，仿真结果呈现了与试验 结果相一致的规律。本文的试验结果对风冷却切削技术的实际应用具有一定 的参考价值。 关键词准干式切削技术：涡流管：风冷却切削：有限元仿真 坠堡堡塞三奎兰三兰氅圭耋堡篓圣 d e s i g no fv o r t e xt u b ef o rc u t t i n ga n de x p e r i m e n t & s i m u l a t i o no fa i rc o o l e dc u t t i n g a b s t r a c t t h ec o n c e p to fg r e e nm a n u f a c t u r i n ga n dc l e a np r o d u c t i o ni s b r o u g h t f o r w a r di ni n d u s t r ym a n u f a c t u r ef i e l dw i t l lt h en e e do fc o n t i n u a b l ed e v e l o p m e n t a n ds t r i c tr e s t r i c t i o no fe n v i r o n m e n ta n dr e s o l l r c e s p r o t e c t i o n m e c h a n i c a l p r o d u c t sm a n u f a c t u r i n gp r o c e s si st h em a i nt a c h eo fd i r e c t l yc o n s u m i n gr e s o u r c e a n dp r o d u c i n gw a s t em a t e r i a l ，s op a r t sg r e e nm a c h i n i n gt e c h n i ci s a t t r a c t i n g m o r ea n dm o r ea t t e n t i o n d r ym a c h i n i n ga n dn e a rd r ym a c h i n i n gt e c h n o l o g y h a v eb e c o m eah o tr e s e a r c hi ng r e e nm a n u f a c t u r eb e c a u s ei td o e sn o tu s ec u t t i n g l i q u i do ro n l yu s el o wt e m p e r a t u r ec o o l i n gt e c h n o l o g y , s p r a y i n gt e c h n o l o g yo r o n l yal i t t l eh a r m l e s sp l a n to i l i san e a rd r ym a c h i n i n gm e t h o d ，w h i c hc o o l s c u t t i n ga r e aa n de v a c u a t e sc h i pu s i n gl o wt e m p e r a t u r ew i n di n s t e a do fc u t t i n g l i q u i d i tc a nd e c r e a s et o o lw e a r , i m p r o v et o o ll i f e ，r e d u c ec o s ta n dp r o d u c en 0 c h e m i c a lp o l l u t i o n ，s or e s e a r c ho fv o r t e xt u b e sa i rc o o l i n gt e c h n o l o g yh a s i m p o r t a n tt h e o r ym e a n i n g a n da p p l i e dv a l u e c o m b i n i n gw i t l lp l ：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 m l 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 d p o w e rs e p a r a t ep r o c e s s ，v o r t e xt u b ep a r t sf u n d a m e n t a l sw e r er e p r e s e n t e di nt h i s p a p e r ，i n c l u d i n gw i n dn o z z l e ，v o r t e xt u b e sd i a m e t e lh e a ts e p a r a t et u b e sl e n g t h ， c o o l e da i re x p a n s i o np a r t ，a d j u s tv a l v ea n ds o o n d e s i g ns c h e m ef o rv o r t e x t u b e sk e yp a r t sw a sp u tf o r w a r d ，c h a r a c t e r i s t i c so fv o r t e xt u b eu s e df o ra i r c o o l i n gw e r ed i s c u s s e d ，a n dv o r t e xt u b e sa p p l i c a t i o nw a si n t r o d u c e d i nt h i sp a p e r ，a i rc o o l i n gs y s t e mi se s t a b l i s h e d ，i nw h i c hp c b nt o o l sw e r e u s e dt oc u th i g hh a r d n e s sm a t e r i a lg c r l5 b e a r i n gs t e e l e x p e r i m e n tr e s u l t s i n d i c a t e dt h a tc o l da i rf r o mv o r t e xt u b eh a sas i g n i f i c a n te f ! f e c to nc 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 ea n dc h i pf o r m a t i o np r o c e s s i nt h ec o n d i t i o no fh i g hc u t t i n g s p e e d ，c u t t i n gf o r c ew i t ha i rc o o l i n gi n c r e a s e db y16 t h a nt h a tw i t hd r yc u t t i n g ， w h o s er e a s o ni sm e t a ls o f t e n i n g e 饪b c t c o o l i n ga i re x p e d i t e sc u t t i n gh e a t s 矍垒篓竺三奎兰三兰堡圭兰篁竺兰 c o n d u c t i o na m o n g w o r k p i e c e ，c u t t i n gc h i pa n dt o o l ，d e c r e a s e st h et e m p e r a t u r eo f c u t t i n gs e c t i o n ，r e d u c e st o o l sw e a r ，a n da d v a n c e sm a c h i n e ds u r f a c e sq u a l i t y d u r i n ga i rc o o l i n g ，p a r to fw o r k p i e c em a t e r i a lb e c o m e sc o o la n df r i a b l e ，w h i c h m a k e sf o rc h i p ss h e a ra n db r e a k ，d e c r e a s e sc u t t i n gl o a da n dr e s u l t si nb i g g e r c u t t i n gc h i pd e f o r m a t i o n c u t t i n gf o r c e a n dc u t t i n g t e m p e r a t u r ew e r e s i m u l a t e d u s i n gt h e f i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o ns o f t w a r em a r c ，a n dt h ee f f e c to fv o r t e xt u b e sc o o la i ro n c u t t i n gs e c t i o nw a st a k e ni n t oc o n s i d e r a t i o n c h a n g er u l e st h a ta n a l y s i sr e s u l t s i n d i c a t e da r ei na c c o r d a n c ew i t he x p e r i m e n tr e s u l t s t h i s p a p e r sc o n c l u s i o n s h a v eag r e a tr e f e r e n c ev a l u ef o rt h e p r a c t i c a la p p l i c a t i o no fa i rc o o l i n g t e c h n o l o g y k e y w o r d sn e a rd r ym a c h i n i n g ；v o r t e xt u b e ；a i rc o o l e dc u t t i n g ；f i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n i i i 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切削用涡流管设计及风冷却切 削试验与仿真，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独 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 己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，均己在文 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：1 刁旺多眯日期：础弓月o 日 j 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 切削用涡流管设计及风冷却切削试验与仿真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。 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名 导师签名： 研丧蛛 别孙、无 日期：凇口石年弓月o 日 日期乒矽年弓j 9 ，7 日 哈尔滨理 大学t 学碜十学位论文 第1 章绪论 1 1 清洁切削技术的应用与发展 1 1 1 绿色制造与清洁切削技术 环境、资源、人口是当今社会面i l 刍的三大主要问题。依靠科技进步，实现 节资增效，减少废物排放，建立生产、消费与环境、资源相互协调的发展模式 已成为人类社会可持续发展的必由之路。2 l 世纪在制造业实施绿色制造己势在 必行。绿色制造的概念最早由美国制造工程师学会提出，该学会1 9 9 6 年发表 的关于绿色制造的蓝皮书( g r e e nm a n u f a c t u r i n g ) 中阐述：绿色制造是一种 综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，它的目标是使产品从设计、制 造、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，对环境的负作用最小、资 源效率最高。简单地说，绿色制造要综合考虑制造、环境和资源这三大领 域。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 到企业，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。 切削加工作为制造业重要而应用广泛的加工方法正面临新的挑战，在此背 景下，绿色切削加工技术应运而生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。在金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。然而，随着金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。在欧洲汽车制造业，切削液的成本占总制造成本的1 6 9 0 0 ， 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 f 2 7 。2 切削液中含有矿物油及硫、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，则会对环境造成污 哈尔滨理工大学- 学母i 十掌位论文 染。3 切削液对操作工人的健康造成威胁，会诱发多种皮肤病和呼吸道、肺部 疾病。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。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。许多国家 都制定了严格的工业排放标准，进一步限制了切削液的使用，这就迫使人们探 索新的冷却方法，创造清洁生产环境。 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 对大生态环境和d , 力n i 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) ，在链条末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、低温切削、绿色湿式切削等几个方面。 1 1 2 机械加工中存在的问题 传统的切削加工是以大量资源消耗和粗放废弃物为特征的，对加工过程中 产生的三废采用末端治理技术，即等到产生了废弃物和污染后再处理，使治理 污染的投入高，环保效果差。而且湿式切削加工中使用大量的冷却润滑液( 如 在德国，1 9 9 7 年在金属加工工业中约消耗了8 0 万吨冷却润滑液) ，其造成的负 面影响也越来越明显。 1 造成环境污染在传统的切削加工过程中，切削液参与韵比例很大。切 削液主要作用是冷却、润滑、防锈和清洗，分为油基和水基两种，含有多种化 学成份。切削液对环境的危害主要是其废液对水资源的污染问题。矿物油是切 削液的主要成分之一，其生物降解性差，能长期滞留在水和土壤中。美国环保 局指出：油对水生物有急性致死毒性，也有长期亚急性致死毒性( 即不会导致 生物死亡，但破坏其正常的生态) 。水中含油量超过l o p p m ，就会使海洋植物 死亡，含油3 0 0 p p m 可使淡水鱼死亡。就算排放的废液经过严格的矿物油回收 处理，其在水中的长期积累也不容忽视。切削液的添加剂对环境的污染也是多 方面的，如常用作极压添加剂的短链氯化石蜡是海水污染物之一；在水基切削 液中常用磷酸钠作防锈剂，面研究证明，酸磷盐类化合物的直接排放严重污染 环境，会使河流、湖泊和海洋出现富营养化( 一种氮、磷等植物营养物质含量 过多所引起的水质污染现象) ，出现蓝藻和赤潮。还有切屑中带有残存切自0 液 的问题。切削加工中使用的切削液，或多或少总会存留在切屑上，大量堆积的 哈尔滨理丁大学工学硕士学位论文 切屑带有的切削液会污染土壤，切屑再生利用时切削液的有毒有害成分也会污 染环境。 2 危害车间工人的身体健康首先是对呼吸器官的危害，主要是在使用切 削液时产生的油雾以及切削液散发的气味。油基切削液在高速或重载切削条件 下，产生高温化学反应，释放刺激性的有害气体和油雾，燃点和黏度越低，烟 雾就越大，污染越重。其次，切削液中的添加剂具有毒性。水基切削液为改善 切削性能加入了各种添加剂，如：极压剂、防锈剂、防霉剂等。普通水基液含 有数1 0 种不同的化学成份，而且在使用中遇高温时会形成新的化合物，对人 体健康危害较大。如常用效果较好的防锈剂是亚硝酸钠，亚硝酸盐类化合物可 以使人体中毒，长期接触会致癌。作为杀菌剂使用的苯酚类物质毒性也很大 三是对皮肤的危害。常用作极性添加剂的氯化合物润滑性能好，但刺激皮肤和 眼睛；甲醛类化合物对人体刺激也很大，使眼睛流泪，且能致癌。矿物油、表 面活性剂的脱脂作用，或因防腐杀菌剂的刺激性以及无机盐、有机胺等碱性物 质的作用，均会使皮肤干燥、裂口、红肿而发生皮炎。美国g e n e r a l m o t e r 汽车 公司通过专门的综合调查，比较了直接接触切削液的机床操作工、不直接接触 切削液的装配工及从未在机床上工作的人，结论是机床操作工患呼吸系统疾病 ( 咳嗽、呼吸困难、慢性支气管炎、鼻炎) 的较多，并且矿物油常引起气喘、咳 嗽和鼻炎，而合成切削液会引起气管炎。 3 零件的生产成本大幅度提高德国v d m a 和日本精密工程协会的研究表 明：由于冷却润滑液的供给、保养、处理、冷却润滑液设备的折旧等费用，以 及环境保护提出的要求，加工中采用传统切削液发生的相关联费用，约占到工 件制造成本的1 2 1 7 ，如图1 - 1 所示。磨削加工中切削液的费用可 高达制造成本的3 0 左右。而这些 费用常常被低估，因为它们包含在 间接费用之中。据测算，如果2 0 的切削加工采用干式切削，总的制 造成本可降低1 6 。存在着降低产 品成本的巨大潜力。 图1 - 1 制造成本在生产加工中的分配情况 f i g 1 - 1d i s t r i b 删o no f m a n u f a c t u r ec o s t s 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 1 1 3 实施清洁切削加工的途径 1 i 3 1 干切削加工技术干式切削技术起源于欧洲，目前在西欧各国使用较 多，2 0 0 3 年，德国制造业有2 0 以上采用干切削技术。在干切自4 研究和应用 方面，德国处于国际领先地位。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刖加工方 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”1 干式切削具有以下特点：形成的切屑干净、清洁、无污染，易于回收和处 理；省去了与切削液有关的传输、回收、过滤等有关装置及费用，简化了生产 系统，节约了生产成本；省去了与切屑及切削液处理有关的费用；不污染环 境，也不发生与切削液有关的安全及质量事故。于切削技术的开发已取得了很 大进展，有相当多的于切削工艺已在生产中推广应用。在于切削过程中，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，切肖l j 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量降低。此外，对于机 床本身，由于不能保持热平衡，机床床身、立柱等构件也会因温度升高而发生 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【4 】。 要使干切削顺利进行并达到或超过湿加工时的加工质量、生产率和刀具寿 命，就必须做到：一方面尽可能减少千切削的切削变形，降低切削力、切削能 “ 耗和切削热；另一方面要使刀具材料具有高温下的固体自润滑能力和优良的抗 热磨损特性。所以高性能的刀具材料及其相关设计对切削而言是至关重要的， 同时也对机床结构、工件材料及工艺过程有很高的要求。 1 千切削技术实施的前提 1 ) 采用热稳定、快速排屑的高速机床考虑切削过程中切削热的散发及 热切屑和灰尘的排除，用于干切削的机床需要采用超高速机床，在高转速、低 切削用量的条件下进行切削，在此条件下，9 5 的切削热会被切屑带走，并可 降低3 0 的切削力，工件可基本保持在室温状态下进行加工。机床结构在保证 主轴、导轨等精密运动部件应具有良好的密封情况下，采用快速排屑结构和辅 助排屑设施，如真空、吹气和虹吸等除尘装置，有利于吸尘和排屑；机床具有 的较好热稳定性和抗热变形能力可保证良好的加工精度。 哈尔淳理工大学t 学硕士学位论文 2 ) 采用新型的刀具材料和涂层技术干切削不仅要求刀具材料有很高的 红硬性和热韧性，而且还必须有良好的耐磨性、耐热冲击性和抗粘结性。陶瓷 刀具( a 1 2 0 3 ，s i 3 n 4 ) 、金属陶瓷、超细颗粒硬质合金、立方氮化硼、聚晶金刚 石等材料是目前干切削领域应用最为普及的刀具材料，分别有各自适用的切削 对象。 干式切削、高速切削会显著提高切削区温度，增大刀具与切屑之间的摩擦 阻力，容易产生积屑瘤，加剧刀具磨损。为改善刀具切削刃的耐高温、耐磨损 性能，可对刀具表面进行适当的涂层处理( 如涂覆t i n 、t i c 、a 1 2 0 3 等涂层) ， 以起到减小切削力和切削功率、减小刀具与切屑的摩擦阻力、阻隔切削热、减 小刀具磨损、延长刀具寿命的作用。 、 3 ) 合理选择和刃磨刀具几何形状优化刀具几何形状的目的是：减小刀 具和工件的接触面积；为防止和阻断积屑瘤的产生要在可能形成积屑瘤的表面 有最充分的润滑9 1 。因此，干切削刀具的几何形状是基于自由切削刀具原理设 计的，通常具有较大的前角和刃倾角，使刀具结构具有耐磨损和耐冲击的能 力。 随着刀具材料和性能的不断改进，刀具的几何参数变化很大，如近年来日 本、德国、美国等开发的各式装配硬质合金刀片的涂层铣刀，在刀片上采用了 各种特殊形状的三维断屑槽，刀刃也由原来的直线型变为各种螺旋形、波形刃 等1 6 1 。 2 千切削技术存在的问题干切削加工过程具有一些特殊的规律。在同样 的工艺条件下，当不使用切削液时有可能发生： ”1 ) 直接的加工能耗( 加工变形能和摩擦能耗) 增大，切削温度增高。 2 ) 第二变形区的摩擦状态及磨损机理发生改变，刀具磨损加快；刀具的 。磨损己由湿式切削的磨料磨损转变为以热扩散和氧化磨损为主。 3 ) 刀屑的接触长度增加，切屑形成过程发生较为明显的塑性变形，这种 较高的热塑性导致切屑难于折断和控制，切屑的收集和排除较为困难。 4 ) 加工表面质量易于恶化。 3 其它千切削技术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。 1 ) 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 空气送入切削区内，取代切削液的作用。其润滑作用决定于工件和刀具初始表 面产生的强烈氧化伴随形成的起润滑作用的薄膜，空气能起到一定的冷却作 用，对切屑的断裂和导出也能发生作用由于加工后形成的残余应力分布均 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 匀，在航空材料的制造中是有利的m 。 2 ) 导电加热切削是在切削过程中利用刀具和工件构成回路并通以低压大 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【8 l 。 导电加热切削可以降低切削力，提高刀具寿命，抑制鳞刺和积屑瘤的效果较 好。但是在高温下材料往往由于塑性增强而使切屑难于折断。 干式切削技术不是一项通用技术，而是一项系统工程。其应用有一定局 限，还处在发展之中，在我国，干式切削的研究尚处于开始阶段，受到费用和 技术要求高的双重限制而需花费时日才能得以推广。 l 132 准干式切削技术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千切 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【9 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。 美国密西根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，在满足加工要求的条件下，对切削液的浓度、工件材料、刀具类型和几何 参数进行观察研究，并对表面粗糙度、刀具积屑瘤和切削力等作了分析，通过 试验取得最适当的切削液用量，形成“最小润滑”加工技术，即用很少量的切 削液以达到降低切削温度和及时排出切屑的目的。一般当机床工作在最佳条件 时，切削消耗量应在5 0 m l h 以下，而采用通常切削液冷却时切削液消耗量可 能会超过6 l r a i n 。 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1 1 0 l 。 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一2 0 一3 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 哈尔滨理t 大学- 亡学珂l 七学位论文 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， 在日本应用较广。 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。 1 1 3 3 采用绿色切削液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，在很长一段时间内，大多数切削加工还离 不丌传统切削液。因此，在保证切削液综合性能的基础上，人们正在大力推广 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，研究歼发 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“”。 i 2 低温冷风切削的国内外研究现状 1 2 1 低温冷风切削系统的冷源 低温冷风切削发展到今天时间较短，但其形式却多种多样。图1 2 是一种 典型冷风切削系统的构成图1 1 2 1 ，由四部分组成：气源气源由压缩空气提供， 经除湿和降温后提供给切削区；制冷系统。不同的制冷方式可以提供不同形式 和不同温区的冷源，冷源的冷量可用于空气的除湿和降温处理：微量油发生系 统；机加工系统。 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 固斧 l 一供风管2 气源3 ，除湿器4 冷源5 绝热管 6 风嘴7 - 工件8 刀具9 微量油系统l o 集尘器 图i - 2 冷风切削系统构成 f i g 1 - 2s 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 冷源是冷风发生装置的核心，目前用于冷风切削系统的有四种主要形式： 1 使用低沸点介质的间接冷却这种制冷方式属于相交制冷，如图1 3 所 示，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1 0 0 t 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。 1 一热交换器2 - 温度调节器3 漪量调节阀4 储浠器5 液化丁厂 图l - 3 使用低沸点介质的间接冷却方式 f 逅i 3i n d i r e c tc o o l i n gm o d eb yu s a g eo f l o wb o i u n gp o i n tm e d i u m 2 涡流管制冷方式【1 3 i 如图1 4 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一端，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 哈尔滨理- 大学丁学硕士学位论文 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。 盂一 i 喷嘴2 涡流室3 控制阀 图l - 4 涡流管制冷 f i g 1 - 4 r e f r i g e r a t i o nb y v o r t e x t u b e 3 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的气源压力和膨胀机 的出口气体压力以及膨胀机的性能决定，属于开放式的直接制冷方式。如图1 5 所示。这种制冷方式结构简单，气源无相变发生，能耗较低，但其温度控制 不易，成本较甜“l 。 l 一压缩机2 一冷却器3 风机4 - 膨胀机 图1 5 空气绝热膨胀制冷 f i g i - 5r e f r i g e r a t i o nb ya i ri s o e n t r o p i ce x p a n s i o n 4 蒸气压缩式制冷蒸气压缩式制冷是目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， 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 竺玺篓：盔：兰堡圭兰兰兰兰 方式f 1 5 1 1 压缩机2 一冷凝器3 储液器4 - 节流阀5 蒸发器6 - 电动机 图1 6 蒸气压缩式制冷系统 f i g - 1 6r e f r i g e r a t i o nb yv a p o rc o m p r e s s i n gs y s t e m 1 2 2 国外研究现状 目前，冷风切削的主要研究队伍集中在亚洲，特别以日本为代表。1 9 9 6 年 横川技术士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 c 常 温空气、- 2 0 冷风和切削液几种试验工况对比，图1 7 足以5 0 m 曲的速度 铣削中碳钢时铣刀后刀面的磨 损曲线。在相同的切削用量条 件下，低温风冷却时铣刀耐用 度分别是常温风和切削液冷却 时的1 5 2 0 倍。在重切削的 试验中采用4 0 的冷风 1 & 1 7 i 。 通过与其他工况的对比， 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。 图1 培是高速连续车削 3 5 c r m o 时车刀后刀面的磨损 曲线，图中显示在连续和断续 _ 胪。 舯日m 唾m m 蛐 l - 水基切削液2 - 常温风3 低温风 ， 图1 7 不同冷却条件下铣刀磨损曲线的比较 f i g 1 - 7 c o m p a r i s o n o n w e a r c u r v e s o f m i l l i n g c u t t e r i n d i f f e r e n tc o o l i n gc o n d i t i o n 基芒出警竹lp，茎 r 一 竺玺堡耋王查耋：耋至：茎竺鎏三 车削条件下，低温冷风的效果均优于于切削。 r i m i n g d k 耐岫 1 常温风冷却断续车削2 低温风冷却断续车削 3 常温风冷却连续车削4 低温风冷却连续车削 图1 8 不同冷却条件对断续和连续车削刀具磨损的影响 f i g 1 8e f f e c to f c o o l i n gc o n d i t i o n so i lc u t t 盯w e a r i n gi nc o m i n u ea n dc o n t i n u o u sc u t t i n g 与液氮类似，冷风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i - 9 为使用t i n 涂层硬质合金钻头进行钻削时( 中= 1 1 s m m ，f = o 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。 4 5 0 5 5 0 2 5 0 l s o 时 脚- 耐 。柏瑚 c u t t t n gl p e e d 印m m l 图1 - 9 钻削时各种切t t v r 况f 切削温度f l q 对比 f i g i - 9 c o m p a r i s o n s o f c u t t i n g t e m p e r a t u r e i n v a r i o u s d r i l l i n g w o r k c o n d i t i o n s 陈德成博士陋伸铡用压缩空气将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 0 后供给切削点，对铁素 体不锈钢s u $ 3 0 4 f ( 日本牌号) 进行了切削实验，供气方位如图1 1 0 所示， 并与仅使用水溶性切削液g m l 5 、使用1 0 冷风但不加b l t m b e 切削液的两种 喜己蓦首。蕾鲁，鼻to基 u，卜h。皇茹蕾署昌0 哈尔滓理t 大学t 学顾 学位论文 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。 陈德成还研究了微量植物油润滑和冷风切削对高硅铝合金切削性能的改善 问题，高硅铝合金在切削时由 于硅结晶粒子析出造成切削性 不好，用常规切削时由于切削 温度高，使铝合金共结晶组织 发生变形，硅结晶粒子同切屑 脱落后在工件表面留下比粒子 体积还大的凹陷，冷风切削中 降低了切削点的温度，防止被 结晶材料在切削点的软化，硅 晶粒子被切断不在工具表面留 下凹痕，工件表面粗糙度降低。 l - 空压机2 涡流式制冷管3 工件4 刀具5 给油机 图1 1 0 试验装置示意图 f i g i 1 0s c h e m a t i cd i a g r a mo f t r i a ls e t 日本安田工业公司采用在电机轴、刀杆轴的中心插入绝热风管的结构，使 低温冷风直通刀刃，其结构改善了切削条件，有利于低温冷风切削加工工艺的 实施。 耳前，日本用于切削试验的冷风系统，其温度调节范围达- 4 5 c 1 0 ， 压强为0 2 m p a 0 7 m p a ，流量在1 7 m 3 ，m i i l 2 2 m 3 m i n 。 1 2 3 国内研究现状 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，但冷风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i 2 0 1 图1 一l l 为任家隆等人采用水基切削液，自然环境( 自然冷却) 和低温风( 1 5 1 三种冷却条件下，以4 9 m m i n 、f - - - o 1 5 m m r 的工艺参数切削轴承钢得到不 同冷却方法切削力对比曲线。由图可见：自然冷却切削时切削力最大，风冷次 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 之，水基浇注冷却最小；随着切削深度加大，切削力上升，气体冷却曲线有向 浇注冷却曲线靠近的趋势，且都远离自然冷却曲线，说明随着切削力增大，冷 风冷却效果越好。，晰 刘存祥等采用自己研制的q l 一8 0 型涡流管冷却切削j 5 5 钢料，认为能i 有效地减少刀具前后刀面的磨损，对鼍埘r 导热系数小的刀具效果更好，这一方蠢瑚 式在原中国第一重型机械厂的铣床和 i 齐齐哈尔第二机床厂的钻床进行过试l i e b 验1 2 1 1 。e 国内对冷风切削的研究尚处于开 始阶段，缺乏系统的研究。 图 f i g 1 1 2 4 存在的问题 1 0 留氍蒎巍，船正 l n 不同冷却条件下切削力比较 1 l c o n t r a s t o f c u t t i n g f o r c eu n d e r t h e d i f f e r e n tc o o l i n gc o n d i t i o n s 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。， 一 4 需要系统地研究冷风对切削过程中切肖8 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 3 课题的提出及主要研究内容 1 3 1 课题来源 1 黑龙江省杰出青年科学基金项目：绿色制造中清洁切削关键基础技术的 研究 2 人事部留学归国人员择优资助项目：绿色