（机械制造及其自动化专业论文）奥氏体不锈钢在干切削和微量润滑条件下的切削力研究试验.pdf

am a s t e rt h e s i ss u b m i t t e dt o 保密2 年 t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t y w i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fp h i l o s o p h y r e s e a r c ha n de x p e r i m e n to fc u t t i n g f o r c eo fa u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e lu n d e r t h ec o n d i t i o no fd r y - c u t t i n ga n d m i n i m u mq u a n t i t yl u b r i c a t i o n s c h o o l d e p a r t m e n t ：s i n o g e r m a nc o l l e g e d i s c i p l i n e ： m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g m a j o r ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n c a n d i d a t e ：x i a o - m i n g w u s u p e r v i s o r ：p r o f d r - i n g s t u m i s j u n e ，2 0 0 8 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学雠文作者虢荔j 、囔 汐学年g 月，6 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 劢舟年易玛l 毛e l 摘要 摘要 近年来金属切削加工中冷却润滑液的使用不断受到批评。传统的乳化剂和 润滑油存在很多健康隐患，而且冷却润滑液在使用过程中的挥发、泄漏以及使 用后的废弃处理不但费时费力、增加加工成本，而且会产生环境污染问题。随 着环境保护和减少工业污染的呼声不断提高，国家法律和法规对冷却润滑液的 使用限制日趋严格。干切削和近干切削彻底消除或者极大地减少了冷却润滑液 的使用，从而很好的克服了这一系列的问题。 随着我国科学技术和工业的迅速发展，不锈钢的应用范围越来越广泛。在 机械、航空、化工、食品、轻工等工业中，各种零部件采用不锈钢材料已日益 增多，奥氏体不锈钢应用最广，是具有代表性的一种，其具有优良的力学性能， 在大气或在腐蚀性介质中具有良好的耐腐蚀能力、较突出的冷变形能力和无磁 性等特征。然而，由于其物理机械性能与般碳素钢不同，在掌握其切削性能方 面还是不够完善的。不锈钢被认为是切削加工性能较差的金属材料，充分了解 和掌握奥氏体不锈钢的切削性能，对于实际生产具有重要的意义 本文对用途最为广泛的奥氏体不锈钢o c r l 8 n i 9 在传统乳化剂、干车削和微 量润滑车削条件下进行切削试验，通过设计多因素正交试验方法，建立压电式 测力系统测量切削过程中的动态平均切削力，比较在不同的冷却润滑方式下， 背吃刀量、切削速度、进给量等切削用量对切削力的影响，得出各个因素的影 响曲线图，从而揭示奥氏体不锈钢o c r l 8 n i 9 在车削过程中的切削力变化情况， 为实际的生产加工积累和提供基础数据。 关键词：奥氏体不锈钢o c r l 8 n i 9 ，干切削，微量润滑，切削力，切削力测量 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，c o o l i n gl u b r i c a n tu s e di nm e t a lm a c h i n i n gh a sb e e nr e p e a t e d l y c r i t i c i z e d c o n v e n t i o n a le m u l s i o na n dl u b r i c a n t sr e s u l ti nm a n yh e a l t hp r o b l e m s ， m o r e o v e r ，v o l a t i l i z a t i o n ，l e a k a g eo ft h ec o o l i n gl u b r i c a n td u r i n gt h ec u r i n gp r o c e s s a n dt h ew a s t ed i s p o s a l sa r en o to n l yt i m e c o n s u m i n ga n di n c r e a s et h ep r o c e s s i n g c o s t s ，b u tw i l la l s oh a v es e r i o u si m p a c t st oe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n d r yc u r i n ga n d m i n i m u m q u a n t i t yl u b r i c a t i o nh a v ec o m p l e t e l ye l i m i n a t e do rg r e a t l yr e d u c e dt h eu s e o fc o o l i n gl u b r i c a n t ，w h i c ho v e r c o m eas e r i e so fp r o b l e m s w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g ya n di n d u s t r y , s t a i n l e s ss t e e li sm o r ea n dm o r e w i d e l yu s e d i nt h ef i e l do f m a c h i n e ，a v i a t i o n , c h e m i s t r y , f o o da n dl i g h ti n d u s t r y , m o r ea n dm o r ee l e m e n t sa r em a d ef r o ms t a i n l e s ss t e e l ，i nw h i c ha u s t e n i t es t a i n l e s s s t e e li sm o s tw i d e l yu s e d a u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e lh a sm a n yg o o dm e c h a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sa n t i s e p s i s ，b u th a sm a n yd i f f e r e n c e sw i t h4 5s t e e li nt h ea s p e c t o fc u r i n g s t a i n l e s ss t e e li sc o n s i d e r e da sn o t v e r y - g o o dm a t e r i a l sa sf a ra sc u r i n g c o n c e r n s oi ti ss i g n i f i c a n tt of u l l yu n d e r s t a n da n dm a s t e rt h ec u t t i n gc h a r a c t e r i s t i c s o f a u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e l t h i sp a p e rd e s c r i b e st h ec u r i n ge x p e r i m e n tu n d e rt h ec o n d i t i o no fc o n v e n t i o n a l e m u l s i o na n dl u b r i c a n t s ，d r yc u t t i n ga n dm q l t h ec h o s e nm a t e r i a l0 c r l 8 n i 9i s a u s t e n i t es t a i n l e s ss t e e l t h r o u g ht h em e t h o do fm u l t i f a c t o r s ，t h ef o r c em e a s u r e e q u i p m e n t sa r eu s e dt ot e s tt h ec u r i n gf o r c ed u r i n gt h ee x p e r i m e n t a n dt h ei n f l u e n c e o f t h ec u r i n gf a c t o r st ot h ef o r c e ，s u c ha sd e p t ho fc u t ，c u r i n gs p e e da n df e e d ，a r e a l s oc o n s i d e r e d f i n a l l yt h ec u r v e so ft h ed i f f e r e n tf a c t o r sa r ei l l u s t r a t e da n dt h e c h a n g eo f t h ef o r c ed u r i n gt h ec u r i n gp r o c e s si so b t a i n e d t h eb a s i cd a t af r o mt h i s p a p e rc a nb eu s e do ra sr e f e r e n c ei nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：a u s t e n i t es t a i n l e s s s t e e l0 c r l8 n i 9 ，d r yc u r i n g ，m q l ，c u r i n gf o r c e ， c u t t i n gf o r c em e a s u r e m e n t i i 目录 目录 第1 章引言1 1 1 干切削技术1 1 1 1 干切削的定义i 1 1 2 干切削对机床的要求2 1 1 3 干切削对刀具的要求3 1 2 微量润滑技术4 1 2 1 微量润滑的定义4 1 2 2m q l 的研究现状4 1 2 3m q l 的环境及经济性能评价7 1 2 4m q l 尚待深入研究的问题8 1 3 奥氏体不锈钢9 1 4 课题来源和本论文的研究工作1 0 1 - 4 1 课题来源1 0 1 4 2 本论文的主要研究工作1 l 第2 章金属切削中的切削力1 2 2 1 切削力1 2 2 1 1 切削力的来源1 2 2 1 1 切削力的分解1 3 2 2 切削力建模1 4 2 2 1 切削力建模的意义1 4 2 2 2 切削力模型1 5 2 2 3 切削力建模方法1 6 2 3 影响切削力的因素1 7 2 3 1 工件材料的影响1 7 | i i 目录 2 3 2 切削用量的影响1 8 2 3 3 其它因素的影响1 9 2 4 切削力测量技术1 9 2 4 1 切削力测量技术现状2 0 2 4 2 切削力测量技术的发展趋势2 5 第3 章试验中的主要设备2 6 3 1 微量润滑系统2 6 3 1 1 内部气雾输送系统2 9 3 i 2 外部气雾输送系统3 0 3 1 - 3 试验中使用的m q l 系统3 l 3 2 切削力测量系统? t 3 2 3 2 i 硬件和软件3 2 3 2 2 测量系统的连接3 3 3 2 3 三向测力传感器3 4 3 2 4 电荷放大器3 6 3 2 5 数据采集卡p c i m - d a s1 6 0 2 1 1 6 3 6 3 2 6 数据采集和显示软件3 7 3 3 其它设备3 8 3 3 1 数控车床3 8 3 3 2 切削刀具3 9 第4 章试验过程方案和结果分析4 2 4 1 试验条件4 2 4 2 试验方案4 3 4 2 1 切削力试验方法4 3 4 2 2 多因素正交试验设计4 4 4 3 试验结果分析4 6 4 3 i 切削力测量试验结果4 6 i v 一 4 7 5 1 5 2 5 2 5 3 致谢5 4 参考文献5 5 附录a 相关硬件尺寸数据5 7 附录b 切削试验数控g 代码5 9 附录c 切削力原始记录数据6 0 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果6 4 v 第1 章引言 “人类的知识像个金字塔，塔的顶部由于新的应用在不断地增高，同时基 础研究要不断地拓宽它的底部。基础研究越来越走到了金字塔最外面的角落， 因此，有时候因为它远离日常生活而受到责难。只有在一段时间以后，当金字 塔的应用部分长高了，公众对奇怪的新的现象熟悉了，它们才看上去比较实 际，。，丁肇中【1 】 1 1 干切削技术 先进制造技术的目标是对资源的合理利用、降低成本、减少对环境的污染。 研究和应用干切削技术，对生态保护，提高企业竞争力具有十分重要的意义。 从2 0 世纪9 0 年代开始，国外对干切削技术进行了大量的研究，并应用于 实际，取得了一定的社会效益和经济效益，干切削技术己成为金属切削加工发 展的趋势之一。干切削技术是1 9 9 5 年以后发展起来的一项绿色切削加工技术， 1 9 9 5 年干切削的科学意义被正式确立；在1 9 9 7 年的国际生产工程研究会( c i r p ) 年会上，德国a a c h e n 工业大学的f k l o c k e 教授作了以干切削为主题的报告【z j ； 1 9 9 9 年1 月在美国国家科学基金“设计与制造学科”受资助者会议上，国际著 名的刀具制造厂m a p a l 公司的总裁b p e r d e l 博士也作了有关美国干切削发展 的主题报告【3 1 ，干切削技术已经在各国工业界和学术界引起广泛的关注。目前欧 洲、美国和日本等工业发达国家都非常重视干切削的研究，干切削技术已经成 功应用到生产领域，其中德国企业尤为普遍，在大批量的生产中，已有1 0 , - - 1 5 【5 l 的加工采用干切削技术，并且取得了良好的经济效益。许多世界知名的机 床厂商的产品目录中都有干切削机床和加工中心。 1 1 1 干切削的定义 干切削就是在切削过程中不用任何切削液的加工方法。相对于传统切削液 的湿式加工工艺而言，它是控制污染源头的一种清洁制造工艺【3 j 。 干切削的优点包括：对环境基本无污染；对人体健康危害小；形成的切屑 l 第1 章引言 干净、清洁，易于回收和处理；省去了与切屑和切削液相关的费用，针对特定材 料的切削，不用切削液的同时能够保证高效率、高产品质量、高的刀具耐用度 以及切削过程的可靠性。 合理地采用干切削加工，不仅能保证加工质量，还能降低制造成本和保护 环境。当然干切削技术的应用发展也存在着不少问题，如冷却、润滑和排屑效 果较差，容易造成刀具寿命缩短、加工质量降低和生产率下降，干切削技术的 发展在很大程度上依赖于刀具技术和涂层技术的开发。通过合理地设计机床结 构，并在加工时选择合适的切削用量，或进行最少量润滑切削与冷风切削、氮 气切削共用，或采用激光辅助加工等途径，可以克服没有切削液而带来的负面 影响，从而使干切削达到与湿式切削相当的效果【4 j 。 1 1 2 干切削对机床的要求 由于干切削中没有冷却润滑液，原来由冷却润滑所起到的作用，如排屑等 都需要有合理的方案来替代，可以通过对机床进行优化设计来完成。图1 1 描述 了干切削对机床的要求，由于在干切削过程中会产生大量切削热，如果不将其 及时排出，会引起切削系统热变形，从而影响切削加工精度，因此，适用于干 切削的机床需要具备良好的抽吸系统和可靠的切屑传送系统，机床一般设计成 斜床身结构，利于热切屑掉落而不附着在床身上，同时机床要具备防火系统【3 】【5 】。 可靠并及时地将切屑从机床加工区输出是对干切削机床的基本要求之一【6 】， 因为这样才能防止热切屑与机床各部件、刀具以及工件之间的热传递。在自动 化生产中应尽量避免人为的移除切屑，以防止烫伤或烧伤。 抽吸鬏统 切鸫传送系统 图i 1 适用于干切削的机床( 来源： 8 ) g o l ， 第1 章引言 1 1 3 千切削对刀具的要求 干切削是随着刀具材料的不断进步而发展起来的，刀具在切削加工过程中 要承受很大的压力，同时承受极高的温度。在这样的条件下，刀具将会迅速磨 损或崩裂。因此干切削刀具材料应具备更高的耐热性、热韧性、耐热冲击性、 抗粘结性及耐磨性。常用的刀具材料有高韧性和高硬度兼备的细颗粒硬质合金、 涂层硬质合金、陶瓷及金属陶瓷、立方氮化硼( c b n ) 和聚晶金刚石( p c d ) 等【2 l 。 随着切削材料和刀具涂层技术的不断发展，出现了越来越多的适合干切削 要求的刀具。目前广泛应用的t i n 、t i a l n 和t i c n 等t i 涂层硬质合金刀具，通 过物理沉积和化学沉积工艺在精细颗粒硬质合金基体上镀单层或多层钛化物， 从而具备高韧性和高温耐磨性的优点。而通过对刀刃和排屑槽的形状进行优化， 可以减少刀具在切削过程中所受的机械和热载荷，还可以实现有效断屑，并提 高工件的表面加工质量。图1 2 描述的是适用于干切削的刀具的优化措施l y 【8 】。 选用新型材料制备刀具、使用先进的涂层技术、改善和优化刀具的几何形状等， 都可以有效的提高刀具的使用寿命。 几何形状 鞠k l l i 露 圈 曩蠢a _ 一1 - 罾翟冒圜： r 叠 甚鼬k 一。日_ 嚣黼磁谬谣蕊溺黼黼骝目黝 图1 2 干切削刀具的优化措施( 来源： 8 ) 3 引言 1 2 微量润滑技术 1 2 1 微量润滑的定义 微量润滑( m q l m i n i m u mq u a n t i t yl u b r i c a t i o n ) 技术，是将压缩气体与极 其微量的润滑液混合汽化后，喷射到加工区，对刀具和工件之间的加工部位进 行有效的润滑【9 l 。在德国，由于人们对它是否同时具有冷却功能还存在意见上的 分歧，而分别称之为微量润滑和微量润滑冷却。目前，干切削技术还不成熟， 其应用范围也很有限，而传统的湿式切削又有诸多不足，因此介于两者之间的 m q l 技术有着极为广泛的应用前景。 m q l 可以大大减少“刀具一工件 和“刀具一切屑”之间的摩擦，起到抑 制温升、降低刀具磨损、防止粘连和提高工件加工质量的作用，使用的润滑液 很少，而效果十分显著，既提高了工效，对环境造成的污染又很小。 m q l 所使用的润滑液用量非常少，一般为0 0 3 - - , 0 2 l h ，而一台典型的加 工中心在进行湿切削时，切削液用量高达2 0 - - - l o o l m i n 【1 。而且m q l 技术只要 使用得当，加工后的刀具、工件和切屑都是干燥的，避免了后期的处理，清洁 而干净的切屑经过压缩还可以回收使用，故又称之为准干式切削。 1 2 2m o l 的研究现状 m q l 技术是一种具有极大发展潜力和广阔应用前景的绿色加工技术，经过大 量研究，m q l 的实用水平在不断提高。各国科学家对m q l 在车削加工、铣削加工 和钻削加工等方面进行研究，a n - r _ 材料包括铝合金、不锈钢等。目前，m q l 技术 的主要应用于对铸铁、钢和铝合金进行钻孔、铰孔和攻丝加工，以及深孔钻削 和铝合金的端面铣削等。 美国的t h y s s e n 公司将润滑系统集成在主轴中，其流量由c n c 程序控制， 该单元在6 5 s 时间内可钻削l o 个直径8 m m 、中心距为2 0 m m 的孔，每小时使用 一杯润滑油，且大部分被蒸发，切屑中切削液含量大大减少，因此处理费用大 幅降低。在德国，m q l 装置近几年来每年有1 5 0 0 0 套的市场，而且还将进一步增 加。m q l 与新型刀具的结合使用也方兴未艾。可以预测，未来两三年内，德国制 造的加工中心将有5 用m q l 与润滑性涂层刀具相结合取代湿式冷却【。0 1 。 4 第1 章引言 实验证明m q l 技术在不同种类切削液和用量、不同加工材料、不同刀具、 不同加工工艺以及不同加工参数下所表现出来的加工性能是有差别的： 铝合金的m q l 切削。采用m q l 技术高速铣削铝合金时，刀具寿命可与湿式 切削相当。而且在油雾润滑状态下，刀具上的材料粘附很少。以2 0 m l h 的植物 油用量钻削铝合金的实验结果表明，在低速、低进给情况下，m q l 相比湿式切削 效果要差一点；在较高切速、较高的进给下，m q l 的效果要比湿式切削要好【1 1 1 。 普通钢件的m q l 切削。以2 0 m l h 的植物油用量铣削4 5 钢时，在切速为 7 5 0 m m i n 以下情况下，相比传统的湿式切削，m q l 对抑制刀具磨损是十分有利 的；在7 5 0 m m i n 时，逐渐加大植物油用量至3 0 m l h ，发现刀具磨损状况随着用 量的增大而改善，若继续增加植物油用量，对抑制刀具磨损却没有更多帮助； 在7 5 0 m m i n 以上切速时，刀具磨损迅速加剧，m q l 的效果不甚理想。以8 5 m l h 的b pc i l o r a1 2 8 ( 粘度较高) 切削液用量铣削a s s a b7 1 8 钢( 模具钢) 时，在 低速、低进给、低切深的情况下，相比传统湿式切屑，m q l 技术大大降低了切削 力，减少了后刀面磨损，改善了已加工表面质量，避免了切屑中的集中热应力， 减小了毛刺重量和长度。以9 6 m l h 的某种水溶性油用量普通速度车削4 5 钢时， m q l 在抑制刀具磨损、改善表面粗糙度、控制积屑瘤生成方面达到和传统湿式切 削相当的水平。采用含有极压剂的切削液，更能有效地延长刀具磨损。以2 0 0 m l h 的某种水溶性油用量普通速度车削中碳钢时，在低速、高进给的情况下，m q l 相 比湿式切削要好，它不仅降低了切削力和进给力，也减少了切削力的变化幅度， 从而减少了刀具在切削时由于振动而造成的磨损，已加工表面质量得到改善， 切屑的厚度也比湿式切削下的切屑厚度大。m q l 技术和涂层刀具相结合，能够取 得最好的使用效果。当使用高速钢涂层钻头加工x 9 0 g r m o v l 8 合金钢时，加工直 径8 5 m m 、长2 5 m m 的通孔，切速为3 0 m m i n ，进给速度为0 i m m r ，当用t i a i n 涂层高速钢钻头进行纯粹干钻削时，钻3 5 m 的切削长度后钻头便被损坏；采用 ( t i a l n + m o s 。) 复合涂层钻头和微量润滑时，钻削长度增加l1 5 m 。【。z l 钛合金、高硅铝合金及不锈钢等难加工材料的m q l 切削。在用m q l 技术高 速切削钛合金的实验中，刀具发生严重剥落及切屑变色。说明微量润滑高速切 削难加工材料钛合金与传统湿式切削相比还是有一定差距的。以m q l 结合低温 风冷技术切削加工高硅铝合金零件和不锈钢的实验结果表明，这种方法能延长 刀具的使用寿命，抑制积屑瘤的产生，提高加工表面精度，可省去废液和废液 处理系统，降低生产成本，防止环境污染。以m q l 结合水雾( 冷却) 的复合喷 5 第1 章引言 雾润滑冷却方法连续车削不锈钢的实验结果表明，这种方法能在切削区域润滑 困难的连续切削中有效发挥作用，可提高已加工表面质量并减少工具磨损。而 且可以通过改变喷雾中油雾和水雾的用量随时调整润滑和冷却效果。【1 o 】 以下是世界各国的科学家在m q l 技术方面的研究成果描述。 ( 1 ) 日本科学家t o s h i a k iw a k a b a y a s h i 在用p 2 0 涂层刀具加工硬度为4 5 h r c 的不锈钢的实验中，为了达到切削油高效利用的目的，采用了双喷嘴m q l 系统， 一个喷嘴正对前刀面，另一个正对后刀面，每个喷嘴和刀具相隔2 0 m m 。实验表 明，该系统提供了比干切削更小的切屑一刀具摩擦系数；并可通过使用大流量的 压缩空气加强冷却效果，从而减小刀具磨损、提高加工表面质量。r ”l 】 ( 2 ) 韩国科学家t a oj ok o 和h e es o o lk i m 在车削硬质材料时使用m q l 冷却技术，比较了t i n 涂层刀具和c b n 刀具的切削性能。在加工经过热处理的硬 度为6 2 - - 一6 4 h r c 的轴承钢时，在刀具尖端喷射油雾可以减少t i n 涂层刀具的磨损， c b n 刀具的寿命可延长3 0 。采用m q l 技术，可以用低价的t i n 涂层刀具来代替 昂贵的c b n 刀具而达到相同的切削效果。【。1 ( 3 ) 英国科学家m a c h a d o 和w a l l b a n k 使用油量为2 0 0 3 0 0 m l h 的m q l 车 削中碳钢，与传统的大量切削液冷却( 5 1 l m i n ) 、干切削、空气冷却相比较。 低转速大进给量加工中，使用m q l 能显著降低切削力；使用m q l 或空气冷却， 在减少振动方面的效果比使用大量切削液要好。【_ j ( 4 ) 巴西科学家d u r v a l 在钻孔铝硅合金的实验中，使用无涂层的k i o 和 金刚石碳化钻头，比较了m q l 和大量可溶性油冷却两种方法。m q l 系统中采用流 量为7 2m 3 h 、压力为4 5 b a r 的空气流雾化油剂。实验表明，油剂流量对刀具 磨损无显著影响；与使用大量油溶性切削液相比，在刀具的磨损程度相当的情 况下，使用m q l 系统时孔的加工质量更好；使用金刚石钻头和无涂层钻头对于 加工效果无显著区别。【| 。4 1 ( 5 ) 印度科学家v a r a d a r a j a n 、p h i li p 和r a m a m o o r t h y 在用带槽型复合涂 层刀具车削4 6 h r c 硬质钢实验中，使用以矿物油( 带添加剂) 为油剂的m q l 系统。 研究发现，当油剂流量为6 0 m l h 时，加工效果最为理想。比较不同的切削参数， 干切削、湿式润滑和m q l 的润滑冷却效果，发现m q l 在降低切削力、延长刀具 寿命、提高表面质量和金属去除率等方面的综合性能要好于其它方法。【1 5 】 ( 6 ) 日本科学家横田秀雄研究发现，与实用水溶性切削液和干切削相比， 采用m q l 技术并使用专用切削油的合成脂作为油剂时，切削摩擦系数较低。【1 6 l 6 口 u g h 研究了油雾润滑滚动轴承的摩擦 学性能。实验证明，与传统的油池润滑相比，使用油雾润滑可以降低轴承摩擦 2 5 ，温度降低i o 。c 。d 7 目前对m q l 的研究尚处于处级阶段，尤其是对难加工材料中的m q l 系统的 应用研究更为缺乏。m q l 系统的普及必须解决如何确定加工所需润滑液量的问 题，解决除屑、排屑问题，解决切削灰尘和油雾对自动换刀系统的影响问题。 1 2 3m o l 的环境及经济性能评价 在许多金属加工中，油类的润滑剂被激烈搅动后在车间空气中形成污染的 油气雾，润滑剂中的添加剂、微生物和其它成分雾化后也同样可能被操作者吸 入体内，对人体的呼吸系统、消化系统造成危害，甚至可能致癌；油雾在厂房 上部形成一层粘附物，给日常保养带来麻烦。因此，对不同加工方法造成的空 气油雾微粒浓度的研究是十分必要的。 传统的湿式法与m q l 所造成的空气中油雾微粒浓度是不同的。美国 c i n c i n n a t i 大学和t e c h s o l v e i n c 公司的联合研究项目进行了m q l 和湿式切削 下产生空气油雾微粒浓度对比实验，在t o n g i lt n v - - 8 0 c n c 立式加工中心上分 别以1l m l m i n 和6 5 l m i n 的用量对a i s i s a e4 3 4 0 钢件进行了钻削和铣削。 结果表明，在较低的切削速度和金属切除率下m q l 造成的空气中油雾微粒生成 率( 每分钟产生的微粒量) 在钻削时是传统湿式法的3 4 0 - - 3 3 0 0 倍【10 】；而在铣 削时则是1 0 0 - - - 1 4 0 倍【10 】。在较高速度及金属切除率下，这个比值会更大。 另外，不同切削液的油雾微粒生成率也是不同的。同等条件下，纯合成液 的油雾微粒生成率远远高于水溶性切削液，甚至使得车间空气油雾浓度超过当 前美国o s h a ( o c c u p a t i o n a ls a f e t y a n dh e a l t ha d m i n i s t r a t i o n ) 和 n i o s h ( n a t i o n a li n s t i t u t ef o ro c c u p a t i o n a l s a f e t ya n dh e a l t h ) 规定的标 准【1 0 】。 m q l 相比传统湿式切削方式能够大大减少切削液的用量，避免了废液的处 理，降低了加工成本( 包括切削液的购买费用、储存费用及废液处理费用等) ， 而且在某些条件下能获得相等甚至更好的加工性能。它标志着人们在摆脱传统 湿式切削加工的道路上迈出了关键性的一步。但是它也面临着自身固有的挑战， 即在人们免除了传统切削液造成的臭味、细菌和酶菌等损害健康的因素的同时， 7 响。另外由于较高的油雾微粒生成量， 有封闭、抽吸通风以及空气清新设施， 1 2 4m q l 尚待深入研究的问题 影 使得采用m q l 加工方法的机床上必须具 给m q l 加工带来了附加成本【1 叫。 m q l 技术尚待研究的问题主要有以下几个方面： 1 m q l 作用机理方面的研究。当前的实验研究主要是针对某几种材料、几种 不同的加工方法的研究，得出的只是局部的结论，需要更迸一步探讨m q l 切削 时油膜的均匀性、渗透性和润滑冷却性能的规律以及工件、刀具和切屑在不同 的加工方法、切削用量下本质变化的内在规律。 2 m q l 润滑液输送方位、出口压力以及油雾用量的最优化。一般来讲，内喷 法相比外喷法更能对加工区进行迅速有效的润滑，特别适合于封闭式加工，但 刀具结构较复杂。对于外喷法，油泵输出的油量、喷嘴喷出的油量与实际输送 到刀具上起润滑作用的油量是不同的。不同的喷嘴方位对刀具磨损的影响是比 较显著的。这三者的不同参数用量组合对于提高加工性能、降低生产成本，利 用环境保护的整体效果而言有一个最优化的问题，需要做进一步的深入研究。 3 高速切削难加工材料时m q l 与新型刀具、低温风冷技术和水雾冷却技术 结合使用的研究。m q l 方法能够提供和湿式切削相当甚至更好的润滑性能，但其 冷却效果却不尽人意。高速切削难加工材料时产生的大量热量不能及时散去， 使得切削温度迅速升高，导致润滑剂润滑性能剧烈下降，加工性能变差。因此， m q l 技术结合新型刀具及冷却性能强的低温风冷和水雾冷却技术的深入研究对 于难加工材料的高速加工具有重大意义。 4 加工参数对油雾微粒生成率的影响。加工参数如切速、切深、刀具材料、 刀具几何形状、工件材料等都会对油雾生成率造成影响。比如在较高的切速下， 会产生较高的切削温度，从而加速切削液的蒸发，导致较高的空气油雾浓度。 5 m q l 油雾发生装置的设计研究。加工区不同方位油雾浓度测量结果显示， 空气中油雾微粒产生的一个重要来源不是加工过程，而是输送油雾到达加工区 的传送过程。目前绝大多数的m q l 装置都是采用压缩空气作为油雾传送载体， 因此下一步研究的重点将会集中于微量油雾传送单元的设计上。另外发生装置 产生油雾颗粒的大小及分布对加工性能也有一定的影响。 8 工中产生的油雾颗粒越小，就越 粒大小的方法之一是添加微量聚 合物，如丙烯酸酯或异丁烯等，使其与油雾微滴相结合形成较大、较重的颗粒， 不易扩散到空中。对于m q l 方法来说，深入研究其产生油雾颗粒的大小和分布， 控制其大小和浓度的措施以及开发排放油雾装备的防护技术对于其在绿色、经 济加工道路上的发展有较大意义。 1 3 奥氏体不锈钢 奥氏体不锈钢是在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含c r 约1 8 、n i 8 - 1 0 、c 约o 1 时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的 1 8 c r - 8 n i 钢和在此基础上增加c r 、n i 含量并加入m o 、c u 、s i 、n b 、t i 等元素 发展起来的高c r - n i 系列钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性，但 强度较低，不可能通过相变使之强化，仅能通过冷加工进行强化。如加入s ，c a ， s e ，t e 等元素，则具有良好的易切削性。此类钢除耐氧化性酸介质腐蚀外，如 果含有m o 、c u 等元素还能耐硫酸、磷酸以及甲酸、醋酸、尿素等的腐蚀。此类 钢中的含碳量若低于0 0 3 或含t i 、n i ，就可显著提高其耐晶间腐蚀性能。高 硅的奥氏体不锈钢对浓硝酸具有良好的耐蚀性。由于奥氏体不锈钢具有全面和 良好的综合性能，在各行各业中获得了广泛应用【15 】。 0 c r l 8 n i 9 是奥氏体不锈钢的一种，俗称3 0 4 不锈钢，作为不锈耐热钢使用 最为广泛，用于食品设备、化工设备、原子能工业设备等【1 8 1 ，该钢具有良好的 加工成形性能和抗氧化性能，对氧化性酸( 如硝酸) 有很强的耐腐蚀性，对碱 溶液及大部分有机酸和无机酸亦有一定耐腐蚀能力。耐晶间腐蚀性能优于含碳 量较高的1 c r l 8 n i 9 ，但长期在水及蒸汽中工作时仍有晶间腐蚀倾向。该钢无法 用热处理强化，但可通过冷变形提高强度水平。适用于制造要求耐腐蚀的钣金、 冲压成形件等，还是铆螺用钢，在国内航空工业中主要用作焊丝、铆钉丝等， 在国外航空上广泛用作各类导管、垫片及铆钉等。0 c r l 8 n i 9 的化学成分如表1 1 ： 表1 1 奥氏体不锈钢0 c r l 8 n i 9 的化学成分( 来源： 1 9 ) 钢号化学成分( 质量分数) cm ns ispc rn i o c r l 8 n i 9 o 0 72 o o1 o o0 0 3 00 0 3 51 7 0 0 1 9 0 08 o o 1 1 0 0 9 第1 章引言 奥氏体不锈钢0 c r l 8 n i 9 的力学性能如表1 2 表1 2 奥氏体不锈钢0 c r l 8 n i 9 的力学性能( 来源： 1 9 ) 技术标准：g j b 2 2 9 4 - - 1 9 9 5拉伸试验硬度试验 熟处理 仃n 2 6b65 少 h r sh v 钢号 h b s ( 钢棒)，m p an 口a肠 对钢板对钢板 o c r l 8 n i 9 固溶1 0 1 0 - - 1 1 5 0 1 2 快冷 2 0 55 2 04 06 01 8 7 9 02 0 0 奥氏体不锈钢0 c r l 8 n i 9 的显微组织如图1 3 所示： a ) 金觥：f a ) 扫描电镜l 酣 图1 3 奥氏体不锈钢0 c r l 8 n i 9 的显微组织( 来源： 2 0 ) 1 4 课题来源和本论文的研究工作 1 4 1 课题来源 作为现代先进制造技术的发展方向之一，干切削和准干式切削技术日益受 到重视。同济大学中德学院德马吉基金教席受德国企业的资助，致力于干切削 和微量润滑切削的相关研究工作，本课题是由导师提供的，选取用途最为广泛 的难加工材料奥氏体不锈钢0 c r l 8 n i 9 作为实验的切削加工材料，在不同的切削 润滑冷却方式，即传统湿式切削、干切削和微量润滑切削条件下，通过选取不 同的切削参数，即背吃刀量、切削速度和进给量等，设计多因素正交试验方法， 建立切削力的测量系统，使用压电式测力仪测得切削过程中的切削力，获得试 1 0 章引言 验数据，从而分析不同的冷却润滑方式和切削参数对切削力的影响。本实验在 同济大学中德学院机床与物流实验室进行。 1 4 2 本论文的主要研究工作 本论文围绕干切削和微量润滑切削技术，主要做了以下的研究和实践工作： 1 在查阅大量国内外文献，包括德语文献的基础上，学习研究干切削和微 量润滑切削系统，比较传统切削方式和先进绿色切削方式，深刻了解干切削和 微量润滑切削的发展历史和现状。 2 参与到实验室数控机床的安装调试、刀具等附件的配备购置、微量润滑 系统的改装使用等具体的实验前期工作中，并对进行实验所需要的硬件设备进 行熟悉。 3 借助数控机床、微量润滑系统、压电式测力仪等实验设备建立切削力的 测量系统，熟悉和掌握切削力测量系统的软硬件部分。 4 制定切削实验的方案和计划，选取切削用量值对奥氏体不锈钢材料进行 不同冷却润滑方式下的切削实验，为了降低试验成本，设计多因素正交试验方 法，规划试验进行的具体步骤。 5 测量切削力，对实验结果进行分析，基于现有的实验条件和设备，绘制 各因素的影响折线图，积累基础数据，为以后的试验研究或生产实践提供参考。 2 1 切削力 第2 章金属切削中的切削力 切削力是切削过程中重要的物理参数之一。切削力的大小决定了切削过程 中所消耗的功率和加工工艺系统的变形。对加工精度和加工质量有着直接的影 响。同时，切削力还直接影响切削热的产生，并进一步影响刀具的磨损、破损 和耐用度等。因此，研究切削力有助于分析切削过程和合理选择切削参数，对 实际生产具有重要的指导意义。 2 1 】【2 2 】 2 1 1 切削力的来源 在刀具作用下，被切削层金属、切屑和已加工表面层金属都要产生弹性变 形和塑性变形，由于刀具和切屑、刀具和工件间有相对运动，分别在前刀面和 后刀面产生摩擦力，所以，切削力的来源主要有以下三个方面，如图2 1 所示， 其中a p 为背吃刀量( 即切深) 。 克服被加工材料对弹性变形的抗力； 克服被加工材料对塑性变形的抗力； 克服切屑对刀具前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面及己加工表面的 摩擦力( 分别用f r 和f f a 表示) 。 图2 1 切削力的来源( 来源：e 2 3 ) 1 2 切削中的切削力 2 1 1 切削力的分解 以圆柱车削过程为例说明切削力的分解。如图2 2 所示，如果不考虑副切 削刃的切削作用以及其它造成流屑方向改变的因素的影响，为了便于测量和应 用，切削力f 可分解为以下空间三个相互垂直的分力： f x ( 切向力或主切削力) ，与过渡表面相切并与基面正交，是切削力中最大的 一个切削分力，其所消耗的功率占总功率的9 5 - - - - , 9 9 。它是计算机床动力， 校核刀具、夹具的强度与刚度的主要依据之一； f y ( 轴向力或进给力、走刀力) ，位于基面内并与工件轴线