（机械电子工程专业论文）奥氏体不锈钢1cr18ni9ti的低温切削研究.pdf

摘要 摘要 难加工材料的切削加工一直是航空航天、石油化工、汽车等行业制造技术的难题， 本文重点对奥氏体不锈钢1 c r l 8 n i 9 t i 的低温切削进行研究。论文首先对低温切削的概 念和国内外的研究现状作了简要的介绍，然后从以下几个方面来研究低温切削对奥氏 体不锈钢1 c r l 8 n i 9 t i 切削加工性的影响： 低温切削对断屑的影响实验表明低温切屑颜色与常温不同，证明低温切削能明显 降低切削区域的温度；常温切削奥氏体不锈钢生成带状切屑，在切削用量取值合适的 情况下低温切削可以实现低温断屑。 设计正交实验法研究常温切削和低温切削时切削力的数值变化，采用多元线性回 归法建立常温干切削和低温切削下切削力的经验公式。结果表明：低温切削奥氏体不 锈钢可以使x 、z 向的力降低，而y 向力却有一定程度的增加。 采用单因素实验法研究切削速度和进给量对表面粗糙度的影响规律，实验结果表 明随着切削速度的提高，常温干切削和低温切削的表面粗糙度数值均明显下降；随着 进给量的增加，不论低温切削还是常温干切削，表面粗糙度数值都在增加；而且在相 同的切削用量下，低温切削的表面粗糙度都好于常温切削， 通过切削速度和背吃刀量的单因素实验得出各种切削用量时1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢的 刀具磨损过程曲线，实验结果说明低温切削对刀具的初期磨损影响不大，切削温度是 影响刀具耐用度主要因素，切削速度对刀具耐用度的影响程度要大于背吃刀量；较高 速度下低温切削仍然能有效提高刀具耐用度，可以大大提高切削加工的效率。 关键词：低温切削；切削力；粗糙度；刀具磨损；奥氏体不锈钢；液氮 - 、 甍 a b s t r a c t 一 a bs t r a c t d i f f i c u l t c u t t i n g - m a t e r i a lh a sb e e nt h em a n u f a c t u r i n gp r o b l e m si nt h e a e r o s p a c e ，p e t r o c h e m i c a l ，a u t o m o t i v ea n do t h e ri n d u s t r i e s t h ep a p e rf o c u s e s r e s e a r c ho nt h ec r y o g e n i cc u t t i n go ft h ea u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l1c r l8 n i 9 t i f i r s t l yab r i e fi n t r o d u c t i o ni sg i v e nt ot h ec o n c e p to ft h ec r y o g e n i cm a c h i n i n g a n dd e v e l o p m e n to fc r y o g e n i cm a c h i n i n gb o t ha th o m ea n da b r o a d ，a n dt h e n t h ei n f l u e n c eo f c r y o g e n i cc u t t i n gt oc u t t i n gn a t u r eo fa u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l 1c r l8 n i 9 t ii sr e s e a r c h e df r o mt h ef o l l o w i n g a s p e c t s ： t h l e x p e r i m e n lo fc r y o g l i n g a f f e c t i n g p b r e a k i n gs h o wthatl h eee n m e n to tc r y o g e n l cc u t t i n ga c t i n 2o nc h i ob r es h o wt h a t _ t h ec h i pc o l o ri sd i f f e r e n ta tt h el o wt e m p e r a t u r ea n dr o o m t e m p e r a t u r e ，w h i c h c a n c e r t i f yt h a tc r y o g e n i cc u t t i n gc o u l dr e d u c et h e c u t t i n gt e m p e r a t u r e s i g n i f i c a n t l y ；r i b b o nc u t t i n gc h i p si sf o r m e dw h e na u s t e n i t i cs t a i n le s ss t e e lis c u ta tr o o mt e m p e r a t u r e i nt h ec i r c u m s t a n c e so fa p p r o p r i a t ec u t t i n gv a l u e s ， c h i pb r e a k i n gc a na c h i e v eb yc r y o g e n i cc u t t i n g t h e c h a n g eo fc u t t i n gf o r c ev a l u ea tr o o mt e m p e r a t u r ea n dl o w t e m p e r a t u r ei ss t u d i e db yo r t h o g o n a lt e s t ，t h ec u t t i n ge m p i r i c a lf o r m u l ao ft h e a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e la tr o o m t e m p e r a t u r e a n dl o w t e m p e r a t u r e i s e s t a b l i s h e db ym u l t i p l el i n e a r r e g r e s s i o n t h er e s u l t ss h o w e d ：c r y o g e n i c c u t t i n gc a nm a k ec u t t i n gf o r c ei nxa n dzd i r e c t i o nr e d u c e w h i l et h ec u t t i n g f o r c ei ny - a x i si n c r e a s et os o m ee x t e n t t h el a wo fs u r f a c er o u g h n e s sa f f e c t i n gb yc u t t i n gs p e e da n df e e dr a t ei s r e s e a r c h e db ys i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t s ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a t ： w i t hi n c r e a s eo f c u t t i n gs p e e da n df e e dr a t e ，t h es u r f a c er o u g h n e s sv a l u e sa r e s i g n i f i c a n t l yd e c r e a s e da tl o wt e m p e r a t u r ea n dr o o mt e m p e r a t u r e ；w i t ht h e i n c r e a s eo ff e e dr a t e ，s u r f a c er o u g h n e s sv a l u e si n c r e a s er e g a r d l e s so fc u t t i n g a tl o wo rr o o mt e m p e r a t u r e ；a n du n d e rt h e s a m ec u t t i n gv a l u e s ，s u r f a c e r o u g h n e s si sb e t t e ra tl o wt e m p e r a t u r e av a r i e t yo ft o o lw e a rc u r v e s c u t t i n gs t a i n l e s ss t e e l ic r l 8 n i 9 t ia r e o b t a i n e db ys i n g l ef a c t o r e x p e r i m e n to ft h ec u t t i n gs p e e da n db a c kc u t t i n g d e p t h ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tc r y o g e n i cc u t t i n gh a sl i t t l ee f f e c to nt h e 奥氏体不锈钢1 c r l 8 n i 9 t i 的低温切削研究 i n i t i a lt o o lw e a r s o m ec u t t i n gt o o lw e a rc u r v e sw e r eo b t a i n e db ys i n g l ef a c t o r e x p e r i m e n t su n d e rt h ev a r i o u so fc o n d i t i o n s c u t t i n gt e m p e r a t u r ei st h em a i n f a c t o rt ot o o ll i f e ，t h ei m p a c to fc u t t i n gs p e e do nt o o ll i f ei sg r e a t e rt h a nb a c k c u t t i n gd e p t h ；c r y o g e n i cc u t t i n gc a ni m p r o v et o o ll i f ea th i g h e rc u t t i n gs p e e d s ， w h i c hc a ng r e a t l yi m p r o v et h ec u t t i n ge f f i c i e n c y k e y w o r d s ：t h ec r y o g e n i cm a c h i n i n g ；c u t t i n g f o r c e ；r o u g h n e s s ；t o o l w e a r ；a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ；l i q u i dn i t r o g e n i v 目录 目录 第一章绪论1 1 1 本课题研究意义l 1 2 低温切削概述1 1 2 1 低温制造工程1 1 2 2 低温切削2 1 2 3 低温切削加工的分类2 1 3 低温切削加工研究现状3 1 3 1 国外的研究状况3 1 3 2 国内的研究状况5 1 3 3 低温切削加工技术的发展趋势5 1 4 本课题研究的主要内容及研究方法6 第二章奥氏体不锈钢切削的微观研究9 2 1 塑性金属材料的变形9 2 1 1 塑性金属材料的变形过程9 2 1 2 加工硬化的形成过程1 0 2 1 3 加工硬化的金属力学解释1 1 2 2 面心立方结构金属晶体加工硬化曲线1 2 2 3 金属形变过程的微观概念1 3 2 3 1 金属形变过程的微观解释1 4 2 3 2 金属切削过程微观解释1 4 2 4 奥氏体不锈钢低温马氏体转变1 5 2 5 本章小结1 6 第三章奥氏体不锈钢的切屑形成和断屑研究1 7 3 1 奥氏体不锈钢的成分组织及力学性能1 7 3 2 刀具材料和几何角度1 7 3 2 1 刀具材料的选择1 8 3 2 2 刀具几何参数的选择1 8 3 3 切屑形成和断裂1 9 3 3 1 切屑卷曲过程的力学研究1 9 奥氏体不锈钢i c r l 8 n i 9 t i 的低温切削研究 3 3 2 切屑的折断机理2 0 3 4 低温切削的液氮喷射角度2 0 3 5 低温液氮喷射对切屑的形成、流动和折断产生的影响2 2 3 5 1 切屑的卷曲形式2 2 3 5 2 液氮喷射角度对断屑的影响2 3 3 6 奥氏体不锈钢低温切削对断屑的影响实验2 3 3 7 实验结论及分析2 6 3 8 本章小结：2 6 第四章切削力研究2 7 4 1 切削力的来源2 7 4 2 切削合力、分力：2 7 4 3 影响切削力的因素2 8 4 4 切削力的测试3 0 4 4 1 机床3 0 4 4 2 测力仪3 1 4 4 3 车刀3 3 4 4 4 液氮罐3 3 4 4 5 切削力测试系统3 4 4 5 切削力经验公式的建立3 5 4 5 1 实验方案3 5 4 5 2 多元线性回归3 6 4 6 本章小结3 8 第五章低温切削对己加工表面质量的影响3 9 5 1 己加工表面质量对零件的使用性能的影响3 9 5 2 影响表面粗糙度的因素4 0 5 3 切削用量对表面粗糙度的影响实验4 1 5 3 1 表面粗糙度实验4 1 5 3 2 实验结果分析4 4 5 4 低温加工对积屑瘤的影h 向机理分析4 5 5 4 1 积屑瘤的形成与成长4 5 5 5 本章小结：4 6 目录 第六章低温加工对刀具耐用度的影响4 9 6 1 刀具磨损原因4 9 6 2 刀具磨损的形态5 0 6 3 刀具耐用度的实验5 3 6 。3 1 刀具磨损的测量5 3 6 3 2 实验方案5 3 6 4 低温对刀具的磨损的影响5 4 6 4 1 试验结果5 4 6 4 2 实验结论：5 7 6 5 低温加工提高刀具耐用度机理的研究5 7 6 6 本章小结5 8 第七章结论5 9 参考文献6 1 攻读学位期间发表的学术论文目录6 5 致谢6 7 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题研究意义 上世纪7 0 年代以来，航空航天、汽车、石油化工等工业的快速发展使各国对新材 料的需求量越来越多，各种高性能零部件多采用高强度、耐磨损、耐热的工程材料。 新的工程材料大多属于难加工材料，需要科研人员不断探索它们的加工方法。材料的 切削加工性不仅仅由材料的物理力学性能决定，还与刀具材料、机床性质、加工方法、 加工条件和冷却润滑剂等切削条件密切相关。 l c r l 8 n i 9 t i 属于常用的奥氏体不锈钢，具有优良的力学性能，在大气或腐蚀性介 质中具有良好的耐蚀能力、较突出的冷变形能力、无磁性等特性被广泛应用于焊芯、 抗磁仪表、医疗器械、化工生产中的耐酸设备及输送管道等。此外奥氏体不锈钢由于 高强度，高弹性模量以及耐腐蚀性能，在航空领域仍有广泛的应用。1 c r l 8 n i 9 t i 的相 对切削加工性仅为4 5 钢的4 0 。它的难加工性主要表现在加工过程中塑性变形大， 切削力大，切削温度比较高，刀具易磨损，断屑困难，同时加工硬化严重，线膨胀系 数大，导热系数低，容易产生热变形，加工精度难以控制。传统奥氏体不锈钢切削选 用含s 、c l 等极压添加剂的乳化液、硫化油和四氯化碳、煤油和油酸混合液等切削液。 切削加工中切削液的消耗、排放等费用所占零件加工成本很大。此外，这些含s 、c l 等极压添加剂的乳化液及硫化油在使用中会产生油雾和烟雾，影响车问工作环境；排 放的切削液也会对江河以及地下水造成污染。i i 】 2 0 世纪中后期，低温技术有了突破性发展并迅速应用于生物、医学领域，接着又 在航空、航天及军工等领域得到广泛应用。随后，人们开始将低温技术应用在难加工 材料的机械加： 中并取得了良好的经济效益和环保效益，低温加工逐渐成为切削难加 工材料行之有效的方法之一。 1 2 低温切削概述 1 2 】低温制造工程 低温制造工程( c r y o g e n i cm a n u f a c t u r i n ge n g i n e e r i n g ) 是利用物质在低温( 包括超 低温) 状态下的特殊性能来进行加工制造的有关理论和技术的总称。低温制造工程涉 及低温物理、制造工程( 特别是机械制造) 、材料学、传热学、计算机及控制技术等多 学科，它足门交叉的新兴的制造技术。 低温制造l ：程的主要理论基础是会属材料低温状态下特别是超低温状态下将会呈 1 奥氏体不锈钢1 c r l 8 n i 9 t i 的低温切削研究 现出各种特殊力学性能。例如，许多会属材料的延伸性在低温状态下会发生较大的变 化，有的甚至发生重大的变化，材料的机械加工性能可以通过这些特殊性能得到显著 改善。奥氏体不锈钢在现代制造业中广泛应用，是一种典型的难加： 材料，由于它的 韧性和塑性太强，切削加工时很容易磨损刀具，因而加工成本高，效率低。但如果在 低温状态下，不锈钢的塑性将会有所降低，其切削加工性可以得到有效改善。 1 2 2 低温切削 所谓低温切削是将工件进行低温冷却并进行切削加工。超低温流体在工件内或刀 具内形成局部的低温( 或超低温) 状态，使工件或刀具力学性能发生有利于机械加工 转变，这种改变本质上属于切削条件的改变。 低温制造工程的主要应用领域就是低温切削加工。其原理是利用液态氮、液态二 氧化碳等低温流体，喷入机械加工系统的切削区域，在切削区域形成局部低温或超低 温状态，改善工件的切削性能，提高刀具使用寿命，提高切削加工生产率，达到改善 表面加工质量的目的。【2 】 1 2 3 低温切削加工的分类 低温切削加工的分类标准是多种多样的： ( 1 ) 根据室温分类 这是同本的分类力法，它把低温切削分成如下几类： 低于室温的低温切削 这种切削方法是将切削液在油槽内进行冷却，以一定压力将油槽内制冷得到的切 削液快速喷入切削区域，使工件的切削区域的温度保持在室温以下( 4 6 ) 进行低 温切削加工。 零度以下的低温切削 这种切削一般采用将工件浸入温度一定的冷却槽中，一边冷却一边进行切削加工。 一5 0 以下的低温切削 这种切削方法是使切削区的温度保持在5 00 c 以下进行的切削加工，在这样的温度 下如果金属具有低温脆性，切削力能大大减小。此外温度的大幅降低，使积屑瘤不易 产生，在较低的切削速度下也能得到良好的表面质量。 ( 2 ) 根据冷却形式不i 司分类 这种分类方法将低温切削分为内冷式切削和外冷式切削。外冷式的低温切削只是 降低了了j 具或工件的表面温度，而内部温度仍然较高；内冷式切削普遍采用工件内部 冷却法，通常用冷冻装置使工件和刀具的内部和外部同时冷却，这种冷却方式可以使 2 第一章绪论 整个工件的温度一致，减小刀具和工件冈内外温度不均引起的热变形，提高加工精度。 ( 3 ) 按照冷却对象的划分 按照这种方法低温切削加工可以分成对加工工件和刀具冷却两类。 ( 4 ) 根据冷却的连续性不同分类 在低温切削过程中，制冷可以采用连续制冷与间断制冷。 连续冷却法是工件在切削过程中进行不断的冷却，经常采用对整个工件冷却，工 件处于相对均匀的冷却场中，制冷效果比较好； 间断冷却法是工件的冷却区域随着刀具的切削运动变化，只对即将进行切削和正 在切削的工件段冷却，冷却效果不及连续冷却。1 3 j 国内低温研究领域的部分专家认为，应该根据材料的低温脆性来分类：在低温脆 变温度以下的切削称为低温脆性切削；在此温度以上( 即此温度到室温) 的切削称为 冷冻切削。这种划分方法更能反映低温切削的本质，更有利于实验和研究。如果加工 材料不具备低温脆性，即使温度很低，材料也不产生低温脆性，所以对它的切削也不 能称为低温脆性切削。1 2 1 总之，根据低温切削的冷却介质不同、冷却温度范围不同、冷却方法不同等把低 温切削分成很多种类型。电子冷冻切削、化学制冷、利剧低温液体( 如液氮) 制冷是 低温加工中常用的几种制冷方式，这些冷却方式效率相对较高，低温技术的快速发展 可以让我们方便的得到所需要的低温区问。 1 3 低温切削加工研究现状 低温加工早期研究工作主要用液态二氧化碳作为冷却剂。现在在实验中则更注重 使用液氮作为深冷剂，并且典型的难加工材料经常采用低温加工。 1 3 1 国外的研究状况 国外对低温加工的研究开展的很早，早在二寸世纪五 u 年代，日本、美国等国家 就对低温加工进行了研究。1 9 5 3 年b a r t l e 等人丌始了低温切削试验，液态c 0 2 作 为冷却切削剂从喷管直接吹到切削点，实验结果证明切削效果比常温切削提高二倍以 上。1 9 5 9 年1 月东京_ 业大学的益子教授对低温切削的切削效果住实验上及理论上 首先作出了明确解释，解释了材质的低温脆化，并得出工件材料如果具有低温脆性， 低温下难切削材料的切削加工性能有效提高，并用实验来证实上述理论。【2 j 美国从1 9 6 5 年丌始对低温切削技术进行了系统的研究，先期主要应用于军工等领 域，1 9 8 0 年以后在机械制造领域广泛应用新的研究成果，极大的提高机械加工效率。 3 奥氏体不锈钢1 c r l 8 n i 9 t i 的低温切削研究 美国的l e b l o n g 公司采用以高压气体进行冷却加工工件的技术，刀具上的热量是通过 主轴的高压气体带走。【4 】2 0 0 1 年哥伦比亚大学的s h a n eyh o n g 等人丌发了一个新的 经济实用的低温加工装置。这种方法使用了微电子芯片控制断屑槽和刀具前刀面处的 液氮喷嘴注入量，此外通过另一个喷嘴控制后刀面处的液氮喷射量。在这种冷却方式 降低了不必要位置的液氮喷射量，冷却效率高，刀具寿命显著提高，这种加工方式产 生的低温是目前已知的最佳低温加工方法。【5 】 哥伦比亚大学机械工程系h o n g 和d i n g 等人采用多种低温冷却方式研究t i 一6 a 1 4 v 的切削过程，结果发现液氮低温喷射冷却刀具在防止切削温度过快上升方面要比 常温干切削好四倍。采用实验测量和有限元计算两种方式得出采用立方氮化硼刀具加 工t i 一6 a 1 4 v 过程中前后刀面同时冷却效果最好，其次是冷却前刀面、后刀面以及 低温预冷工件的加工方式，最后是乳化液冷却法，干切削刀具温度最高。1 6 1 2 0 0 3 年内 华达大学z y w a n g 等采用等离子体低温加工系统冷却加工i n c o n e l7 1 8 ，其结果显示 刀具寿命与传统加工相比提高1 5 6 。1 7 】 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，然而利用超低 温冷却剂，金刚石刀具的超精密切削钢材成为可能。 8 1 美国学者采用液氮冷却系统对 不锈钢用金刚石刀具进行车削加工试验，由于低温能抑制了碳原子向铁基中的扩散和 石墨化，降低切削时金刚石刀具和钢的化学反应速度，大大减少了刀具磨损，并取得 了极好的加工质量，其表面粗糙度可以达到r a 2 5 n m 。【9 】美国国家标准技术学会 ( n l s t ) 和l o s a l a m o s 国家实验室( l a n l ) 的研究人员研究出一种低温钻石切削方 法，可以在不锈钢工件质量达到光学表面质量。紧凑式圆盘读出器、条型码扫描器等 光学元件已经广泛采用这种低温加工方法。【】 此外亚洲其他国家也对低温切削加工做了深入的研究。1 9 9 5 年印度克勒格布尔理 工学院s p a u l 和a b c h a t t o p a d h y a y 对液氮低温切削、可溶性油冷却切削和干切削 三种切削方式进行对比试验，并以磨削力、磨削区温度、表面残余应力状态进行对比， 结果表明液氮低温磨削在控制切削温度及残余应力方面更有优势，并且低温切削在技 术性和环保性方面比其他冷却方式更具优势。1 1 2 1 1 3 】 2 0 0 8 年土耳其加齐大学z u r e c k i 等采用液氮冷却氧化铝刀具和立方氮化硼刀具切 削常规淬火钢。实验结果发现，低温冷却氧化铝基刀具的效果好于冷却c b n 工具。 此外他们还得出切削钛合会时，采用低温切削时的刀具寿命比采用传统的乳化液冷却 效果高的多。1 1 4 j 总之，从美国、f f 本等国的资料和报道可知，低温切削加工技术不断发展、完善。 4 第一章绪论 低温切削加工技术逐步从实验走向实用化阶段。 1 3 2 国内的研究状况 上世纪七十年代丌始，我国对低温切削加工开始进行试验研究，1 9 7 3 年，首先 推广了“电子冷冻切削加工”。这项技术从1 9 8 0 年开始研究，1 9 8 1 年预研任务完成， 1 9 8 4 年完成研制工作，并通过了部级鉴定。代表性的院校是沈阳工业学院，其采用电 子冷源可以冷却刀具达到零下6 0 ，并在冷冻装夹上有突破性的研究成果，加工效果 显著。【2 】 华南理工大学金属切削研究室胡华南教授对深冷技术在切削加工中的应用进行了 一系列的研究；华教授采用数值模拟和实验验证双重方法验证了局部急冷工件表面可 以降低工件的残余拉应力甚至在工件表面获得残余压应力，提高零件的使用寿命，这 一理论成果对低温切削的研究有重要的推动作用。1 4 j 另外哈尔滨工业大学对低温切削也进行了研究，他们在液氮冷却作用下，实现了 金刚石车刀超精密切削黑色金属，此外，液氮低温环境还大大提高了金刚石刀具的寿 命。 重庆大学的张根宝教授以y k 3 6 1 0 数控滚齿机为平台，对低温冷风切削技术在滚 齿中的应用进行了试验研究。研究中以得到较好的工件齿面粗糙度为考察指标，运用 正交试验法设计试验方案，试验结果表明：冷风温度的大小和有无微量润滑对齿面粗 糙度的影响较显著，冷风切削时的刀具磨损情况也得到了改善。重庆大学动力工程学 院杨颖等对低温冷分射流对断屑影响进行研究，实验结果表明切削4 5 钢时，采用低温 冷风射流能扩大断屑区域，并且冷风射流的压力和射流角度对断屑有较大的影响，相 同条件下存在最佳射流角度和最佳冷风压力。【l 5 】 高锰钢是典型的难加工材料，昆明二 学院万光眠等用液氮冷冻工件的方法对 z g m n l 3 进行了低温加工试验，试验结果表明，低温切削能降低高锰钢的加工硬化程 度，断屑性能改善，并且工件表面质量也自很大提高。i l 6 l 魏树围等通过对b t 2 0 钛合会的低温切削试验，证明低温切削时钛合金脆性增加， 刀具切入和切出时的切削力增人，容易造成的刀具破损。但低温时由粘结磨损造成的 刀具磨损量大鼍减小，此外低温时由丁- 刀具和工件之间的接触长度的增加，使刀具前 刀面的磨损有所增加。【1 7 1 【2 7 1 1 3 3 低温切削加工技术的发展趋势 如上所述，围内外y ：多学者在低温制造理论和技术上已经取得了丰硕的研究成果， 一些技术成果已经应用于y _ j l k 生产，创造了可观的经济效益。但是总的来说，低温切 s 奥氏体不锈钢1 c r l 8 n i 9 t i 的低温切削研究 削加工技术的研究还没有完全成熟，好多理论还需要进一步的深入。尤其在微观机理 和力学机理方面需要大量的实验来探索。另外很多科研成果需要专家和学者投入大量 的精力才能应用于工业生产。总结有关文献的研究成果，我们可以得出低温切削加工 技术研究发展趋势主要有以下几个方面： ( 1 ) 深入化由于低温切削的研究涉及到摩擦学、动力学、传热学和优化设计等 相关学科，所以未来的研究要求研究者有较高的综合素质。低温切削加工技术的高效 应用需要将低温加工技术与有关领域的研究成果综合利用。 ( 2 ) 实用化包括低温加工的应用范围，温度控制系统的开发和利用，加工成本 的降低等。只有使低温切削加工技术逐步进入工业化的实用阶段，才能转化为巨大的 经济和生态效益，符合2 l 世纪世界经济和社会发展的战略方向。 ( 3 ) 机理性问题的研究机理性的研究是科研领域的核心和难点，只有把握机理， 在生产实践中才能有的放矢，低温切削加工技术机理性问题的研究有其特殊性，是今 后研究的难点和突破点。 因此，低温切削加工技术向实用阶段转化过程中，系统性、机理性、最优性和经 济性问题的研究缺一不可，同时也是新技术应用需要解决的核心问题。 2 1 1 4 本课题研究的主要内容及研究方法 目前国内外对于奥氏体不锈钢低温切削的研究还不多，针对目前低温切削的研究 现状，本文从以下几个方面来研究低温切削对奥氏体不锈钢1 c r l 8 n i 9 t i 切削加工性的 影响： ( 1 ) 奥氏体不锈钢切削过程的微观机理 通过对塑性材料变形过程特别是加工硬化过程进行金属力学研究，采用塑性滑移 理论解释加工硬化的形成过程；对面心立方晶格会属的三个加工硬化阶段进行分析， 得出影响加工硬化过程的因素；采用滑移变形理论对金属切削过程做微观解释；对奥 氏体不锈钢低温形变引起的马氏体转变进行论述。 ( 2 ) 奥氏体不锈钢切削过程切屑的形成和低温断屑研究 首先对切屑形成过程进行力学研究，通过对切屑形成以及断裂条件的分析，确定 刀具的几何因素、切削用量和其他切削条件对断屑的影响。设计低温切削和常温干切 削对断屑的影向实验，探索奥氏体不锈钢的低温切削断屑性能，为自动化加工技术自 动断屑提供实验数据。 ( 3 ) 低温切削对奥氏体不锈钢切削力的影响 首先介绍本实验使用的切削力的测试装置以及低温液氮冷却装置，测试正交实验 6 第一章绪论 常温切削和低温切削时切削力的数值大小。从实验数据出发分析低温切削切削力的变 化并分析变化原因，最后采用多元线性回归法得出常温干切削和低温切削下切削力的 经验公式。 ( 4 ) 低温切肖0 对已加工表面质量的影响 首先讨论表面粗糙度的影响因素，采用单因素法研究切削速度和进给量对表面粗 糙度的影响规律，通过对实验结果的分析，探讨切削速度v 和进给量f 对表面粗糙度 的影响规律，分析低温切削对表面粗糙度的影h 向机理。 ( 5 ) 低温切削对刀具耐用度的影响 先对刀具磨损的原因和主要形态进行分析，然后通过单因素实验法得出各种切削 条件下1 c r l 8 n i 9 t i 不锈钢的刀具磨损曲线，研究低温切削对刀具的初期磨损影响规 律，研究切削速度v 和背吃刀量a d 对刀具耐用度的影响规律。 7 奥氏体不锈钢1 c r l 8 n i 9 t i 的低温切削研究 8 第二章奥氏体不锈钢切削的微观研究 第二章奥氏体不锈钢切削的微观研究 奥氏体不锈钢的晶体结构是面心立方，当温度高于5 7 5 ，它与铁素体不锈钢相 比强度更高。1 c r l 8 n i 9 t i 在变形应力的作用下，奥氏体组织的稳定性降低，部分的转 变为马氏体组织。奥氏体不锈钢切削特点： ( 1 ) 切削力大：不锈钢塑性较大，切削过程中工件发生较大的塑性变形，切削力 较大，切削力的增加促使加工硬化程度更加严重。 ( 2 ) 切削温度高：切削时金属晶格塑性变形会释放出大量的热能，同时刀具与工 件间的摩擦很大，所以切削奥氏体不锈钢时切削热比切削中碳钢大大增加，同时奥氏 体不锈钢的导热性能很差，切削热不易散失，使刀具的工作环境很差。 ( 3 ) 不易断屑：不锈钢的塑性韧性都很大，车削时切屑不易折断，车削行程较长 时容易造成切屑残绕，也会划伤己加工表面，对精密加工极为不利。 ( 4 ) 加工硬化严重：奥氏体不锈钢是不锈钢中加工硬化最为严重的一种，加工硬 化后强度极限o b 可达1 4 7 0 1 9 6 0 m p a 。奥氏体不锈钢塑性变形时的品格扭曲比较大， 强化系数很大，部分不稳定的奥氏体组织会转变为马氏体，马氏体与弥散的化合物等 构成加工硬化层。加工硬化产生的硬化层不利于后续加工。 ( 5 ) 刀具易磨损：切削温度的持续升高，使刀屑间粘结磨损和扩散磨损加剧，前 刀面容易出现月牙洼磨损，切削刃有时会出现剥落和缺口；此外加工硬化使工件的硬 度强度提高，也加速刀具磨损。 ( 6 ) 热膨胀系数大：奥氏体不锈钢的线膨胀系数约为碳素钢的2 倍，切削过程中 切削温度较高，工件会因为受热发生变形不易于保证加工精度。 2 1 塑性金属材料的变形 2 1 1 塑性金属材料的变形过程 如图2 1 所示，描述了塑性金属拉伸变形过程，该过程分为以下几个阶段： ( 1 ) 弹性阶段( o b 段) 塑性材料的弹性阶段分为线弹性阶段o a 和非线弹性阶段a b 。在线弹性阶段材料 的应力和应变服从胡克定律，线弹性阶段的最高点a 所对应的应力op 就是材料的比 例极限。非线弹性阶段。与不再按直线规律变化，但足外力撤去后，形变还能恢复， b 点所对应的应力称为弹性极限。 ( 2 ) 屈服阶段( 从c 点丌始的应力波动段) 应力超过b 点继续增加达到c 点时，塑性材料应变有非常明显的增加，而应力先 q 奥氏体不锈钢1 c r l 8 n i 9 t i 的低温切削研究 是下降，而后作微小的波动，在曲线应力应变图上出现接近水平线的小锯齿形线段， 这一阶段称为屈服或流动。在屈服阶段内的最高应力和最低应力分别称为上屈服极限 和下屈服极限。通常把下屈服极限称为材料的屈服极限或屈服点，用o 。表示。 0 0 d fg f h 图2 1 塑性金属材料形变过程 f i g 2 it h ed e f o r m m i o np r o c e s so f p l a s t i cm e t a lm a t e r i a l s ( 3 ) 强化阶段( 应力波动段结束点到e 点) 塑性材料形变超过屈服阶段后，必须继续施加外力材料才能继续变形。这种现象 称为材料的强化，强化阶段中最高点e 所对应的应力哪是材料所能承受的最大应力， 称为强度极限或抗拉强度，超过这个应力后材料发生断裂。 ( 4 ) 局部变形阶段 材料的应力超过e 点后，试样的横截面在某一处突然缩小，应力应变沿e f 段变化 降落到f 点，试样断裂。 2 1 2 加工硬化的形成过程 从本质上讲，机械制造就是在刀具切削力的挤压作用下，使材料发生屈服变形直 到断裂的过程，但是屈服和强化阶段的形变是不能恢复的，加工硬化常对零件的使用 性能造成负血影响，所以减小加工硬化足提高材料切削加工性的重要途径。 如图2 1 所示，如果把试样处于强化阶段的d 点力撤掉，应力应变关系将沿着斜 直线d d 变化，且斜直线d d 近似的平行于o a 。这说明卸载过程应力应变关系按照直 线规律变化。当外力伞部撤出后，应力应变图中，d g 表示消失了的弹性变形，而o d 1 0 第二章奥氏体不锈钢切削的微观研究 表示不再消失的塑性变形。 卸载后，短期内如果再次加载，则应力和应变大致沿卸载时的斜直线d d 变化， 直到d 点后，又沿着曲线d e f 变化，在第二次加载时，其比例极限得到了提高，材料 发生屈服需要的力提高，这种现象称为加工硬化。零件初加工相当于上述过程的第一 次加载，工件会因为第一次加工造成的加工硬化而难以再次加工，这就往往需要安排 退火工艺消除加工硬化对材料切削加工性的影响。【2 8 】 2 1 3 加工硬化的金属力学解释 如图2 2 表示拉伸时晶体滑移面和滑移方向的变化情况。拉伸力作用在中间一层 金属上下两面的应力。可分解为两个分应力：分讵应力( 0 1 a 2 ) 和分切应力。分正应 力垂直于滑移面，构成力偶，使晶块滑移面朝外力轴方向转动。当外力分解到滑移面 上的最大分切应力与滑移方向不一致时，又可分解为平行于滑移方向和垂直于滑移方 向的两个分力。前一分力是产生滑移的有效分切应力，后一分力将构成一对作用在晶 块上下滑移面上的力偶，力图使滑移方向转至最大切应力方向。所以拉伸时，在产生 滑移的过程中，晶体的位向在不断改变，不仅滑移面在转动，而且滑移方向也在改变。 l f 最大分切 滑移方 i f 图2 2 拉伸时品体旋转示意图 f i g 2 2s c h e m a t i cd i a g r a mo f c r y s t a lr o t a t i o nw h e ns t r e t c h e d 如图2 3 表示压缩时晶体滑移而和滑移方向的变化情况。压缩时晶体的滑移面，力 图转至与压力方向垂直的位置。 如果品体滑移而原来是处于其法线与外力轴夹角接近4 5 。的位向，这时晶体的滑 移系处于软取向，经滑移和转动后，滑移面法线与外力轴夹角就会转到远离4 5 。的位 1 1 奥氏体不锈钢1 c r l 8 n i 9 t i 的低温切削研究 向，从而使滑移变得越来越困难。当晶体有些滑移系与外力夹角远离4 5 。时，滑移系 转变为硬取向，需要较大的o 。值才能滑移，这样产生加工硬化现象。【2 9 】 i 黝 i l 黝 i 图2 3 压缩时晶体旋转示意图 f i g 2 3s c h e m a t i cd i a g r a mo fc r y s t a lr o t a t i o nw h e nc o m p r e s s e d 2 2 面心立方结构金属晶体加工硬化曲线 如图2 4 所示是一条比较完整的面心立方结构金属晶体的d n ；r _ 硬化曲线的示意图， 从图中可看出，该曲线按照加工硬化程度的不同大致分为三个硬化阶段。对于层错能 高的金属( 如铝) ，必须在液态空气低温冷却下实验才能得到，对于层错能低的金属( 如 铜) ，在室温下形变即可得到类似的加工硬化曲线。图中t o 为临界切应力，1 7 2 ，1 ；3 ，分 别表示i i ，i i i 阶段开始时的应力，2 ，3 分别表示，i i i 阶段开始的应变，第一阶段 或称易滑移区，一般对应单滑移，其硬化系数岛= ( 安) 。较小。在第一二阶段过渡区 中，往往第二滑移系统开始激活，其硬化系数就逐渐增大。第二阶段的硬化系数 岛i = ( 妾) 1 i 为最大，且为一常数，故又称为线性硬化区。第三阶段的硬化系数0 1 1 1 随形 变的增加而逐渐减小，故又称抛物线性硬化区。【3 伽 影响此加工硬化曲线的因数很多，主要的影响因素如下： ( 1 ) 金属纯度的影h 向 一般情况下，金属越纯，第一阶段越短，而第二阶段硬化系数0 。变化则不大。 ( 2 ) 晶体取向的影响 晶体“软的”取向，主要为单滑移，其他部分为“硬的”取向，主要为多滑移， f lllli 第二章奥氏体不锈钢切削的微观研究 尤其靠近【1 1 0 卜u o o 连线处往往有三四个滑移系统同时激活。此外，0 ，和0 - 一在【1 1 1 】 点矛u 1 0 0 点附近的较大，而在【1 1 0 】点附近的0 - 就较小；0 n 的影响不如0 一的明显，取 向在 1 l o 点附近的较小，在1 11 l 卜 1 0 0 连线附近的较大。 t 图2 4 面心立方结构金属品体的加t 硬化曲线【8 l f i g 2 4w o r k h a r d e n i n gc u r v eo ff c cm e t a lc r y s t a l ( 3 ) 形变速度和形变温度的影响 关于形变温度的影响，b e m e r 在铜谁晶上所做的工作，形变温度越低，第一、第 二两阶段就越长，