（机械电子工程专业论文）固体润滑在喷雾切削加工中的应用.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 本论文针对切削加工中切削液的排放造成环境污染的问题，提出用固体润滑 切削和喷雾切削代替传统的湿式切削加工，减少切削液的使用，改善环境。 石墨- - m o s 2 系粘结固体润滑涂层具有优异的减压和润滑性能，切目加工过程 中刀具与切屑之间接触压力大，温度高，液体润滑膜难以形成。用固体润滑膜可 以减小刀具磨损，提高刀具寿命，而固体润滑涂层与基体之间的粘附成为固体润 滑成败的关键。根据以往试验在固体润滑膜中加入石棉纤维，可以提高其耐磨寿 命和强度，但石棉纤维混在磨擦粉中，对于人体和环境有害，因此需要寻找更合 适的添加材料。钛酸钾晶须是一种易制各且价格低廉的纤维材料，把其加入尼龙 或聚酯材料中可显著提高其强度和热变形温度，可以设想在固体润滑剂中可能发 挥同样作用，因此在本研究中把少量的钛酸钾晶须加入石墨一m o s 2 系粘结固体润 滑膜中。试验结果表明：室温时钛酸钾晶须并没有表现出明显的作用；5 0 0 c 时含 钛酸钾晶须的石墨- - m o s z 系粘结固体润滑膜的耐磨寿命比不加钛酸钾晶须的提高 了近3 倍；试样形貌分析证明钛酸钾晶须的加入增强了固体润滑膜自身的强度及 其与基体问的粘结强度。 将含钛酸钾晶须的石墨一m o s 2 系固体润滑涂层应用于切削加工，低速切削加 工时，固体润滑切削可以提高刀具寿命，单一的固体润滑切削由于没有切削液的 冷却作用，随着切削速度的提高，切削温度明显上升，固体润滑膜和刀具磨损严 重，工件表面质量下降，不能达到湿式切削加工的效果；喷雾切削具有良好的冷 却效果，而单一的喷雾切削的润滑性不够，高速切削时，刀具与切屑之间容易粘 附，同样不能达到湿式切削加工的效果。 将固体润滑切削和喷雾切削相结合，应用于切自加工。进行不同切削速度下， 干式切削、固体润滑切削、喷雾切削、固体润滑切削与喷雾切削相结合和湿式切 削加工的对比试验，及刀具表面形貌、刀具后刀面成分和工件表面质量分析。试 验结果表明：与干式切削相比，固体润滑切削可减小刀具后刀面磨损量，但对切 削温度影响不大，喷雾切削可减小刀具后刀面磨损量，大大减低切削温度：低速 时，单一的喷雾切削或固体润滑切削的刀具切削温度和后刀面磨损置与湿式切削 兰苎查兰堡主竺堡垒圭 加工效果相当，随着切削速度的提高，单一的喷雾切削或固体润滑切削的刀具切 削温度和后刀面磨损量明显比湿式切削加工的高，而固体润滑切削与喷雾切削相 结台的刀具切削温度和后刀面磨损量与湿式切削加工的相当 关键词固体润滑，喷雾切削，钛酸钾晶须，切削温度，后刀面磨损 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i si sf o c u s e do nt h ep r o b l e mt h a tt h ed i s c h a r g eo f t h ec u r i n gf l u i dc a u s 8 e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n w e tc u r i n gi sr e p l a c e db ys o l i dl u b r i c a t i o na n dm i s ta n t t i n gt o r e d u c et h eu s eo f c u t t i n gf l u i da n di m p r o v ee n v i r o n m e n t o r a p h i t c - m o s 2a d h e s i v e s o l i dl u b r i c a t i o n c o a t i i l g h a sg r e a t c a p a b i l i t y o f d e c o m p r e s s i o na n dl u b r i c a t i o n 1 1 玲c o n t a c tp r e s s u r ei sb i g t h et e m p e r a t u r ei sh i g ha n d l i q u i dl u b r i c a t i o nf i l mi sd i i e c u l tt of o r mb e t w e e nt h ec u t t e ra n dc h i p sd u r i n gt h e p r o c e s so f c u r i n g s o l i dl u b r i c a t i o nf i l me f l nr e d u c et h ew e a ro f t h ec u t t o ra n de n h a n c e t h el i f eo f t h ec u r e r , t h ea d h e s i o nb e t w e e ns o l i dl u b r i c a t i o nc o a t i n ga n db o d yb e c o m e s t h ek e yp r o b l e mi ns o l i dl u b r i c a t i o n a c c o r d i n gt of o r m e rt e s t s ，a d d i n gt h ea s b e s t o sf i b r e t os o l i dl u b r i c a t i o nf i l mc a np r o l o n gi t sl i f ea n de n h a n c ei t sa d h e s i o n b u tt h ea s b e s t o s i s f i b r ed o e sh a r mt op e o p l ea n de n v i r o n m e n t s oa n o t h e rs u i t a b l ea d d i t i v em a t e r i a ln e a d s t ob ef o u n d t h ek 2 t i 4 0 9w h i s k e ri sak i n do f f i b r ew i n c hi sc h e a pa n d e a s yt ob em a d e , a c c o r d i n gt os o m er e p o r t s t h a ti tw a sa d d e dt ot h ep o l y u r e t h a n em a t e r i a lc i m p r o v e i t sd u r a b i l i t ya n dh o td e f o r m a t i o nt e m p a m t u r e i tc a nb es u p p o s e dt h a ti tm a yp l a yt h e 8 a o l er o l ei nt h es o l i dl u b r i c a t i o n ，h o w e v e r , i th a s h tb e e nr e p o r t e dt h a tt h ek 2 弛0 9 w i n s l ( e ri sa p p l i e di nt h es o l i dl u b r i c a t i o n s oi nt h er e s e a r c ht h ek z t i 4 0 9w h i s k e ri s a d d e dt ot h es o l i dl u b r i c a t i o nf i l mc o m p o s e do fg - r a p h i t e + m o s z t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a tt h ek 2 t h 0 9w h i s k e rd o e s n td i s p l a ya p p a r e n ti n f l u e n c ea tr o o m t e m p e r a t u r e t h ew e a rl i f eo fg r a p h i t e + m o s 2s o l i dl u b r i c a t i o nf i l m 、i t l lt h ek z t l t 0 9 w h i s k e ri sp r o l o n g e d3t i m e sa t5 0 0 ca n dt h es u r f a c es h a p e a n a l y s i so f s a m p l e sr e v e a l s t h a tt h ek z t i 4 0 9w h i s k e re n h a n c e st h es t r e n g t ho fs o l i dl u b r i c a t i o nf i l ma n dt h e a d h e s i o nb e t w e e nt h ef i l ma n dt h eb o d y g r a p h i t e - m o s 2a d h e s i v e s o l i dl u b r i c a t i o nc o a t i n gw i t hu a n o m c t e rk 2 t i 4 0 9i s a p p l i e dt oc u r i n g s o l i dl u b r i c a t i o nc o a t i n gc a np r o l o n gt h el i f eo fc u r e r 8w h e nt h e c u t t i n gs p e e di sl o w w i t ht h ei n c r e a s eo fe u m n gs p e e d ，t h ec u t t i n gt e m p e r a t u r er i s e s a p p a r e n t l y , t h el u b r i c a t i o nf i l ma n dc u 璐w e a rs e r i o u s l ya n dt h eq u a l i t yo f w o r k p i 锚 d e c r e a s e sw i t h o u tt h ec o o l i n go fc u t t i n gf l u i dw h e no n l ys o l i dl u b r i c a t i o ni su s e d i t e a n n ta c h i e v et h ee f f e c to fw e tc u t t i n g m i s tc u t t i n gh a sg r e a te f f e c to nc o o l i n g m c h i p sa r ee a s yt oa d h e s i v et ot h ec u r e rw h e nt h ec u t t i n gs p e e di sh i g hf o ri te a r n t p r o v i d ee n o u g hl u b r i c a t i o n i tc a u n ta c h i e v et h ee 在b c to f w e tc u r i n g t o o s o l i dl u b r i c a t i o nc o m b i n e dw i t hm i s tc u r i n gi sa p p l i e dt oc u t t i n g t h ec o m p a r a t i v e i i i 江苏大学硕士学位论文 e x p e r i m e n ti sc a r r i e do u ta m o n g , b yc u t t i n g ，s o l i dl u b r i c a t i o nc l l t t i n g ，m i s tc u t t i n g , s o l i d l u b r i c a t i o nc u t t i n gc o m b i n e dw i t hm i s tc u t t 吨a n dm ，e tc u t t i n ga td i f f e r e n tc u t t i n gs p e e d t h es u r 自c em o r p h o l o g ya n dc o m p o s t i o no f t h et o o lf l a n ka n d1 h eq l 蛐o f w o r p i e c e s a r ca n a l y z e dt oc o m p a r et h ec u t t e r sp e r f 0 m n t r a d e rd i f f e r e n tk i n d so f c u t t i n g t h e x e s u l to f e x p e r i m e n t ss h o w st h a ts o l i dl u b r i c a t i o nc d e c r e a s et h ew e a ro f t h et o o lf l a n k b u th a v el i t t l ei n f l u e n c eo nc u t t i n gt e n l p e l a t u r e , w h i l em i s ta 咖c e nr e d u c eb o t ho f t h e mc o m p a r e dw i t hd r yc u t t i n g a tl o wc u t t i n gs p e d ，e i t h e rs o l i dl u b r i c a t i o no rm i s t c u t t i l l gc a c h i e v et h ee f f e c to fw e tc u t t i n g h o w e v e r , w i t ht h ei n c r e a s eo fc u t t i n g s p e e d ，t h ew e 目t o ft h et o o lf r a n ka n dc 谢i n gt e m p e r a t u r ew h i c h1 h i n gs i n g l es o l i d l u b r i c a t i o no rm i s tc u t t i n gi sh i g h e rt h a nw e tc u t t i n g 氇w h i l ec o m b i n i n gs o l i d l u b r i c a t i o nw i t hm i s tc u t t i n gc a na c h i e v eu c a r l yt h es a m ee f f e c t w e tc u t t i n g k e yw o r d s ：s o l i dl u b r i c a t i o n , m i s tc u t t i n g ，k 2 t i 4 0 9w h i s k e r , c u t t i n gt c m p e r s t u r e ， v ，e a ro f t h et o o lf l a n k 学位论文版权使用授权书 本攀经论文终纛宠全了瑟学校蠢关保整、使瑙学位逶文载鬣定，同意学爱绦 留并向国家有关部门斌机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权江苏大举可以将本学能论文的全部内容或部分内容编入有关数据滕 送行稳豢，可敬粟弱影印、缀露戢黩摇等复裁手段绦存露茳编本学垃论文。 本学位论文羼予 保密口，在年解密厝适用本授权档。 不保密酲。 学镦论文作者签名： 朱酬颀 指导教师签名 谮鲁 加年年6 胄，睁目占争。睥多月f 妒日 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：朱文。定 日期：。泖u 年6 月，妒日 江苏大学硕士学位论文 第l 章绪论 制造业一方面创造了人类的财富，但同时又给人类社会带来十分严峻的资源 消耗和环境污染”】二十世纪随着制造业的发展，生产的各种机械给人们的生活带 来极大的方便，而随之造成的地球温暖化，资源枯竭，环境污染又给人类生活带 来很多负面的影响，二十一世纪人们更注意追求在使环境负担降低的前提下去发 展生产。 传统制造模式利用大规模生产模式为人类创造了大量物质财富的同时，也使 人类与环境之间的矛盾越来越突出，加速了资源的稀缺速度。人口、环境、资源 之间的矛盾日益成为制约与威胁人类生存与发展的因素，如何最大限度地提高资 源的利用效率以及降低制造业对环境的负面影响成为国内外学者与制造业关注的 焦点。绿色制造是制造业在面对环境危机与资源短缺日益严重的情况下提出的绿 色制造模式，国内外有关学者对绿色制造进行了较为系统与深入的研究】。 切削加工在制造业中占很大的比重，据资料统计，日本、美国近年来每年消 耗在切削加工方面的费用分别达到了一万亿日元和一千亿美元州。其特点是刀具， 切屑，工件的接触表面为新鲜表面，接触压力大，温度高，使得刀具磨损加快。 切削液具有润滑、冷却、清洗和协助排屑与断屑的功能，它减少了切削过程的摩 擦，减轻切屑与刀具的粘结现象，抑制积屑瘤的产生，大大降低机床切削区的温 度，迅速排出切屑，从而对减轻刀具磨损、提高刀具耐用度、改善加工表面质量， 提高生产效率都有非常重要的意义。但是，废液的排放和处理给环境造成了严重 的污染。 随着人们环境保护意识的日益增强，目前切削加工中普遍采用的湿式浇注冷 却方式，己难以适应现代绿色制造的要求，由切削液带来的负面效应愈加明显， 其主要表现在： ( i ) 切削液用量大、占用加工成本高：据德国对汽车行业的最近调查。在工 件总的加工成本中，切削液费用要占到7 1 7 ，而刀具成本仅占2 4 【5 1 美国b a y l e r s 刀具涂层公司也作了这方面的统计，结果是切削液的消耗是刀具费用 江苏太学硕士学位论文 的3 4 倍。而且，切削液的处理较为困难，处理费用昂贵，据德国专家预测。若 考虑环境保护的要求，加工中采用传统切削液所用的相关费用约占加工总费用的 1 5 3 0 旧，发达国家每升废液的处理。大约需要i 美元m ； ( 2 ) 造成环境污染：加工过程中切削液受热挥发、飞溅及渗漏会造成工作现 场环境恶化，影响安全生产，未经处理的切削液会污染土地和水源，破坏生态环 境一切削液是机械加工中造成环境污染的重要根源。我国也是润滑油和切削液的 生产和消费大国，据1 9 9 8 年统计我国每年润滑油和切削液的消耗在世界摔名第三 ，其中仅机械工业废乳化液的日排放量据不完全统计已近亿吨，可见其问题的严 重性： ( 3 ) 影响工人身心健康；含有害成分( 如氯和硫) 的切削液受热挥发，形成烟 雾，会引起工人呼吸道，肺部及皮肤的诸多疾病，而且由于工作环境差，工人满 脸油灰，会影响工作积极性的发挥和工作效率的提高，为了消除大量采用切削液 带来的负面影响，可通过不使用或少使用切削液以及采用环保型切削液等措施来 实现清洁化加工。 对我国来说，切削液的排放也是造成环境污染的主要原因之一因此能否不 用切削液，或者大幅减少切削液的使用，就成了人们关注的问题翻干式切削从源 头上消除了切削液带来的一系列环境负面效应，具有如下特点： ( i ) 形成的切屑洁净、无污染、易于回收和处理； ( 2 ) 省去了与切削液有关的供应、回收、过滤等有关装置的购买及保养费用， 以及与切屑、切削液处理有关的费用，既简化了生产系统又节约了生产成本； ( 3 ) 不污染环境，工厂无需承担切削废液污染责任，也不会发生与切削液有 关的安全及质量事故，但是由于没有切削液的冷却、润滑作用，使得零件的加工 精度难于得到保证，目前仅适用于铸铁、铝合金等材料的切削加工。 但干式切削具有温度高、切削力大等特点，又出现了一系列湿式切削加工中 没有的问题，要解决好这些问题不是件容易的事，干式切削技术还很不成熟，其 应用范围也比较有限，而传统的湿式切削又有诸多不足，于是一些研究者提出了 用喷雾切削加工的方法代替常规的浇注法进行切削加工。喷雾切削是利用气液两 相流体的混台俸以高压( 3 6 个大气压) 雾化的方式喷射到加工区，雾化的质点 颗粒在切削区的高温作用下发生相交( 汽化) ，吸收大量的切削热，使得切削液的 使用量降低到原来的千分之几，既降低了成本又使得环境得以明显改善。 江苏大学硕士学位论文 但是随着切削速度的提高，刀具和工件表面温度增高，接触压力增大，使得 喷出的液滴难以在刀具表面上形成膜，使得润滑效果大大减低。而石墨，m o s 2 等 固体润滑剂由于其层状结构，具有耐高温、高压的特点由其组成的固体润滑涂层 可在高温，低温、真空等环境下减少摩擦和磨损，提高效率，延长机器寿命【“。 石墨和二硫化钼为主要成分的粘结固体润滑涂层具有优异的摩擦学性能在航天、 汽车等民用工业取得广泛应用，但在切削加工中的应用却鲜有报道。 可以设想：切削加工时，充分发挥固体润滑涂层的润滑、抗摩和减震作用， 喷雾切削的冷却和清洗作用，将两者有机的结合起来，应用于切削加工，将有望 达到与使用切削液时相当的加工效果，在不降低加工精度的前提下，使切削液的 用置大大减少，环境污染减到最低，从而响应现代切削加工技术的要求，实现绿 色制造。 下面将固体润滑涂层技术和绿色制造技术的研究概况简单介绍如下： 1 2 固体润措跨幄 技术 固体润滑涂层是一种特种润滑材料。众所周知，二硫化钼、石墨、聚四氟乙 烯等材料具有良好的摩擦学性能，是常用的固体润滑材料。以这些材料为主要成 分的固体润滑涂层可以划分为二硫化钼基固体润滑涂层、石墨基固体润滑涂层和 聚四氟乙烯基固体润滑涂层等。各种类型的固体润滑涂层在航空、航天、汽车工 业等领域都有应用，但由于起主要作用的固体润滑相本身的差别，各种固体润滑 涂层有着各自的最适合用途和使用条件要求e 。 固体润滑涂层的性能除了与润滑材料种类有关外，粘结剂的性能对涂层的主 要使用性能有重要的影响，如耐磨寿命、承载能力、耐油性、耐高温性、耐辐射 性等。自从固体润滑涂层技术在上个世纪中期投入实际使用以来，随着化学工业 的不断发展和进步，固体润滑涂层“骨架，- 粘结剂一的品种大大增加，性能也大幅 度提高，以及对各种添加剂协同作用的研究表明单一固体润滑剂由于其性能的局 限，往往不能满足实际工况的要求，在单质固体润滑剂中加入一种或几种成分后， 可以明显地改善固体润滑剂的摩擦学特性，即产生明显的协同效应，促进了固 体润滑涂层性能指标的提升。以二硫化钼基固体润滑涂层的发展来看，2 0 世纪6 0 年代初期。美国就制定了航空飞行器使用的热固化二硫化钼基固体润滑涂层军用 标准，如m i l l - 9 9 3 7 、m i l l - l - 4 6 0 1 0 ，经过数次修订，最新的版本是2 0 0 0 年发 3 江苏大学硕士学位论文 布的m i l - p r f 一4 6 0 1 0 f 。 近3 0 年来摩擦学研究的重大进展之一就是其重点从传统的流体动力润滑与 润滑系统向材料科学与技术( 包括表面工程) 的转变【1 s - 1 6 1 ，固体润滑材料与技术 不仅在航空航天等高技术领域解决了一系列的润滑难题，而且在民用机械领域的 应用也在迅速发展，粘结固体润滑膜是固体润滑材料的主要类型之一，其以突出 的优点不仅已在发达国家得到了广泛的应用【1 7 】。而且早在本世纪五六十年代就制 定了有关的技术标准【”】。近年来，粘结固体润滑膜的应用发展更快，同时也有一 些重要的应用研究成果发表 z 9 - 2 q 。 同样，国内对粘结固体润滑膜的研究也起步较早o ”，3 0 多年来，针对空间技 术等发展的要求研制了几十种粘结固体润滑膜。成功地满足了一批尖端技术中关 键部件润滑的需要，民用机械行业中也得到很好的应用。自八十年代以来，随着 引进技术的不断增多，国产粘结固体润滑膜的应用也逐渐地进入到民用工业领域， 减小了机械设备的摩擦、磨损减少或避免机械设备运动副之间因无油或少油润 滑而产生的机械失效状态，取得了巨大的经济效益和社会效益。 二硫化钼、石墨作为固体润猾荆以其良好的摩擦学性能，已广泛应用于机械 和航空技术等领域，并取得了满意的效果。与在机器中的使用相比，固体润滑涂 层在切削加工中应用的实例还很少。本论文将在这方面作一些研究。 1 3 绿色翻造技术 近年来，对绿色制造的研究受到高度重视口”，其发展也十分迅速。美国、日 本、德国等都将绿色制造列为优先发展的领域】，特别是近年来，国际标准化组 织i s o 发布了有关环境管理体系的i s 0 1 4 0 0 0 系列标准，有力推动了绿色制造的研 究和发展，绿色制造是2 1 世纪制造业的可持续发展模式i “。 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，高 速加工技术的迅猛发展。使得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 0l m i n 2 5 1 0 随着世界对环境保护越来越重视，切削加工中大量使用 切削液的加工方法受到种种限制。 从生态学和经济学的观点应该避免或减少切削液的使用量，绿色切削加工 技术的研究便应运而生。绿色切削加工技术是一种充分考虑环境和资源两大问题 的一种现代制造模式阱”，国内外专家为此努力进行了探索和研究，最近提出了 江苏大擘硕士学位论文 干式切削加工技术和亚干式切削加工技术。 干式切削加工成为绿色切削加工技术的一个热点课题，德国等西欧国家已将 干式切削加工广泛应用于铸铁、铝、镁等材料的切削加工，取得了良好的经济和 社会效益。亚干式切削加工良好的换热冷却作用。吸引了更多研究者的目光，其 中的喷雾切削加工已在一些加工中心上应用，大大减少了切削液的使用，而又不 减低工件加工精度。 在机械加工中绿色制造技术主要应用在干式切削加工技术、甄干式切削加 工技术、少无切屑加工技术、新型特种加工技术等，其中以干式切削加工技术和 亚干式切削加工技术受到更多研究者的关注，现简单介绍如下： 1 3 1 干式切削加工技术 干式切自u ( d r yc u t t i n g ) 是指在切削加工作不使用切削液的工艺方法，是一种新 型的绿色制造技术。由于采用干式切削有利于环境保护，且可降低加工成本( 可 节省加工费用1 0 一1 5 ) ，因此干式切削加工技术的研究开发在欧美和日本受到 高度重视，目前欧洲约1 0 一1 5 的批量机械加工已采用干式切削加工，且已应用 于钻削、铣削、镗削等加工方式 2 9 1 。 新型刀具材料、涂层技术及设计工艺的发展使干式切削加工的实现成为可能， 干式切削加工已成为未来金属切削加工的重要发展方向之一。随着环境保护法律、 法规越来越严格，在国外干式切削的应用越来越广泛，据有关部门统计，目前在 西欧已有近一半企业采用了干式切削加工，其中德国企业尤为普遍，干式切削时， 由于没有切削液的冷却、润滑作用，刀具一工件和刀具一切屑之间的摩擦增加， 切削力、切削热随之增加，切削区温度急剧升高，从而引起刀具耐用度下降，工 件加工质量变差，要使干式切削在相同时问内达到湿式切削加工的切削效果，就 必须对包括刀具、工件、机床在内的整个工艺系统和工艺参数进行全面的考虑。 干式切削加工是一种理想的清洁制造工艺方法。国外对干式切削加工的研究 和应用已比较广泛，美国l eb l o n gm a k i n o 公司正在研制一种称为“红月牙”的铸铁 加工方法，在高速加工中能获得更高的金属切除率p q 。我国在此项技术上同国外 相比有很大的差距，干式切削才刚开始研究，并且干式加工工艺本身还尚须全面 论证，不过作为一种新型的加工工艺已经得到了世界各国的广泛注意和研究。以 上的成功应用实例可以表明，在现有技术条件下，干式切削加工在我国是可以实 江苏大学硕士学位论文 现的，并随着在车削和铣削中的广泛应用，必将推动在其它加工方法中的应用。 当然，干式切削技术的发展，必须依托于先进的刀具结构和刀具材料相信随着 干式切削技术的深入研究和推广应用，我国的切削加工效率和加工质量都将达到 一个新的水平【3 ”。 但是，不对工件和刀具进行冷却，会由于摩擦使工件和刀具的温度升高，导 致刀具磨损加快，工件产生残留应力，刀具和工件发生热变形，表面质量降低等 问题。同样，无润滑作用，会使刀具分屑困难，切屑堵塞容屑槽，还可能损坏已 加工的工件表面。此外，对于机床本身，由于不能保持热平衡，机床的床身、立 柱等构件也会因温度变化而产生细小但不容忽视的变形。残留切屑可能导致夹紧 误差。损坏机床导轨等等。因此，千式切削工艺的成败，关键在于找到一种代替 冷却和润滑的方法。 由于干式切削符合当今绿色制造技术发展的要求，因而他是一种非常有前途 的切削新技术。干式切削能从根本上消除传统湿式切削的弊端，使得切削技术产 生一场深刻的革命。因此未来的绿色制造技术应是以千式切削为主导，发展多 种形式的环保型冷却技术。 1 3 2 亚干式切削加工技术 目前干式切削的应用范围还比较有限，而完全的湿式切削又有诸多不足，若 两者结合，既可满足加工要求，又可使与切削液有关的费用降到最低。介于干式 切削与湿式切削之问，这就是亚干式切削技术。如美国t h y e s s n 公司将润滑系统集 成在主轴电机中，其流量由c n c 程序控制该单元在6 5 s 时间内可钻削1 0 个8 m m 、 中心距为2 0 n u n 的孔，每一小时仅用一杯润滑油，且大部分被蒸发，切屑中切削 液含量大大减少，处理费用大幅下降阙；日立精机的v s 5 0 0 立式加工中心，采用 油雾冷却方式每年换3 次切削液，每次5 0 1 ，一年只需要1 5 0 1 。 依传统切削理论：降低切削过程的切削力，减少切削热，改善这一过程中诸 因素的摩擦状况和材料变形功大小，总是有利于切削过程正常进行的，也有利于 提高被加工零件的综合质量。亚干式切削是以低温或亚低温气体射流为动力，给 予切削区最小的润滑( 满足基本的润滑条件) ，最大冷却( 有限冷却介质达到沸腾汽 化的最大冷却效果) 极大地提高切削过程诸效果的冷却切削方法，或称之为最小润 滑、最大冷却技术。 江苏大学硕士学位论文 从经济性和实用性的观点看，各种亚干式切削加工方法中以喷雾切削更为有 效p ”，本论文中的后面提到的亚干式切削加工方法主要是指喷雾切削加工喷雾 切削采用压缩空气携带润滑油通过喷嘴。使油雾化为几微米液滴，直接喷射到刀 具表面，从喷嘴喷出的微小润滑油颗粒有较好的润滑作用，而液滴的汽化和压缩 空气流动能带走热量，使切削温度降低，同时压缩空气还能吹走切屑，避免了粘 屑现象，在一定程度上起到了清洗工件表面的作用，喷雾切削可实现强力降温。 使雾化的流体颗粒吸附在金属表面上，形成润滑膜，还能起到一定的润滑作用。 在铣削加工这种不连续切削加工的试验中。喷雾切削加工法已被证明对减少刀具 磨损有效，而对在切削过程中，刀尖部始终被切屑覆盖的连续切削有多大效果还 没有充分得以证实。 由于喷雾切削所用润滑油极少，在切削过程中几乎被完全蒸发，因此在某种 意义上讲这实际也是一种干式切削。由于完全干式切削对各种切削参数都提出了 严格的要求，因而在短时间内是不可能得到全面普及的。而喷雾切削则在极大的 减轻环境压力的同时，没有提出很高的要求，是目前比较有效的绿色切削加工方 法之一。目前国内这方面的研究刚刚开始，所做的实验仅仅是朝最小润滑、最大 冷却方向的努力和探索。 1 4 本课题的主要研究内容 本论文致力于将固体润滑切削和喷雾切削应用于切削加工。以往的研究表明 石墨一m o s 2 系粘结固体润滑涂层具有优异的抗粘附和润滑性能，切削加工过程中 刀具与切屑之间接触压力大，固体润滑涂层与基体之间的粘结强度成为固体润滑 成败的关键，因此提高固体润滑涂层与基体之间的粘结强度是本课题的一个重要 研究内容。 以往的研究结果显示，在固体润滑膜中加入石棉纤维，可以提高其耐磨寿命， 但石棉纤维混在磨擦粉中，对于人体和环境有害。因此需要寻找更合适的添加材 料。钛酸钾晶须是一种易制备且价格低廉的纤维材料，把其加入尼龙或聚酯材料 中可显著提高其强度和热变形温度，可以设想在固体润滑剂中可能发挥同样作用。 而钛酸钾晶须在粘结固体润滑涂层中的应用还没有报道，因此在本研究中把少量 的钛酸钾晶须加入石墨一m o s 2 系固体润滑膜中，研究在室温和5 0 0 时，钛酸钾 晶须对石墨一m o s 2 系固体润滑膜的摩擦学行为的影响，通过s e m 和a f m 对其磨 江苏大学硕士学位论文 损形貌进行分析，探讨其和固体润滑卉玎的协同作用机理。 将含钛酸钾晶须的石墨- - m o s 2 系固体润滑涂层应用于切削加工，切削加工时， 单一的固体润滑切削加工由于没有切削液的冷却作用，随着切削速度的提高切 削温度明显上升，固体润滑膜和刀具磨损严重，工件表面质量下降，不能达到湿 式切削加工的效果；喷雾切削具有良好的冷却效果，而单一的喷雾切削的润滑性 不够，高速切削时。刀具与切屑之间容易粘附。同样不能达到湿式切削加工的效 果。可以设想将固体润滑切削和喷雾切削相结合，应用于切削加工，有望产生与 湿式切削相近的切削加工效果。 通过对不同速度下，干式切削、固体润滑切削、喷雾切削、固体润滑切削与 喷雾切削相结合和湿式切削加工时切削温度和刀具后刀面磨损量的比较，及刀具 表面形貌、工件表面质量和刀具后刀面成分分析，探讨固体润滑切削和喷雾切削 各自t u 3 0 n 2 i z 机理，及共同作用的效果，以期推动固体润滑切自0 和喷雾切削在 切削加工中的应用。 在试验过程中，主要作了以下几方面的工作： ( 1 ) 选择石墨和m o & 作为固体润滑材料，确定石墨和m o s 2 之间的合适的配 比： ( 2 ) 选择性能优越、价格低廉的酚醛树脂胶粘剂作为成膜物质，确定其与填 料之间适当的比例关系； ( 3 ) 进行钛酸钾晶须的研制，并将其作为为固体添加剂，以提高粘结固体润 滑涂层与基体的粘结强度及固体润滑膜的耐磨寿命； ( 4 ) 应用高温摩擦磨损试验机进行粘结固体润滑涂层的耐磨寿命测试，通过 s e m 和a f m 对摩擦前后试样磨损形貌进行分析； ( 5 ) 进行润滑油喷雾装置的制备； ( 6 ) 进行涂层刀具的制各； ( 7 ) 不同切削速度下，干式切削、固体润滑切削、喷雾切削、固体润滑切削 与喷雾切削相结合和湿式切削加工时的刀具切削温度、后刀面磨损量的测量； ( 8 ) 通过s e m 对各种切削方式下的刀具后刀面磨损形貌，工件表面质量及 刀具后刀面成分进行分析，研究其减摩机理。 s 江苏大学硕士学住论文 2 1 试验方案的整体构恩 本论文首先进行粘结固体润滑涂层的制备。为了进一步提高石墨- - m o s 2 系粘 结固体润滑膜的粘结强度及固体润滑膜自身的强度，在石墨- - m o s - 2 系粘结固体润 滑膜中添加纳米钛酸钾晶须。用高温摩擦磨损试验机测量包括纳米k 2 t i , 1 0 9 + 石墨 + m o s 2 复合型粘结固体润滑涂层在内四种粘结固体润滑涂层的耐磨寿命，通过 s e m 和a f m 分析其表面形貌，阐述纳米钛酸钾晶须提高石墨一m o s 2 系粘结固体 润滑涂层摩擦学性能的机理。 然后将纳米k 2 t i 4 0 9 + 石墨+ m o s 2 复合型粘结固体润滑涂层制成喷雾剂，喷 涂于刀具表面，制成涂层刀具；进行喷雾切削装置的研制。 最后将固体润滑切削与喷雾切削相结合应用于切削加工，通过切削加工时刀 具切削温度和后刀面磨损量测量，及s e m 的后刀面形貌、成分分析和工件质量分 析，研究固体润滑切削与喷雾切削相结合时提高切削加工性能的机理。 由上面试验方案可知，本论文主要试验装置有：高温摩擦磨损试验机喷雾 切削装置，热电偶测温仪；主要分析仪器有：s e m ，a f m 。下面将简单介绍一下 试验装置及仪器的结构和工作原理。 2 2 高温摩擦磨损试验机 高温摩擦磨损试验机的结构如图2 - l 所示：环形试样4 和盘形试样5 分别通过 试样环座3 和下心轴1 3 上的圆销7 定位，上心轴1 4 固定不动，下心轴的上下移 动可实现试样的夹紧和松开。试验时直流电动机通过一级皮带传动带动下回转轴 旋转，试验负荷由砝码1 1 和载荷杠杆1 加到试样上。盘形试样5 位于下回转轴上， 环形试样4 由上心轴定位，将上下试样压紧后，由于下回转轴的旋转使上心轴受 力，通过传感器1 0 可测出试样摩擦力矩，进行数据处理将摩擦力矩换算成摩擦系 数。散热片2 、9 可使多余热量散发，减小主轴受热变形。 9 江苏大学硕士学位论文 l 1 载荷杠杆2 9 散热片3 试样环座4 环形试样5 盘形试样 6 c 1 0 钢球7 定位销8 加热炉1 0 传感器1 1 砝码1 2 电机1 3 下心轴1 4 上心轴 图2 - 1 高温摩擦磨损试验机结构示意图 摩擦系数u 的计算如下：通过数据采集装置将传感器上的力矩信号采集到计 算机中，摩擦力矩计算公式如式( 2 1 ) 其中m 一记录仪上显示的摩擦力矩( n m ) ， r _ 式样回转半径( m ) ：而摩擦系数计算公式如式( 2 2 ) ，其中f _ 一摩擦力( n ) ， p 一摩擦系数，p - 正压力( n ) ；由式( 2 - i ) ( 2 2 ) 可得高温摩擦磨损试验机的 摩擦系数p 的计算公式4 2 - 3 ) ： m = f r ( 2 - 1 ) = f p( 2 2 ) u = m ，( p 月) ( 2 3 ) 2 3 喷雾蜘削装置 切削加工中，为满足加工精度和刀具寿命要求，获得较高的生产效率，有效 的途径之一就是采取适宜的冷却方法，降低切削温度常用的冷却方法有浇注冷 却、高压冷却、超声波冷却、低温冷却、喷气和喷雾冷却等。这些方法各有特点， 均在生产中有一定程度应用，但从实用性和经济性的观点来看，喷雾冷却更为有 效。喷雾冷却法是一种高效经济的冷却方法，有诸多优点，在国外切削加工中得 到了成功应用，并取得了良好的效果。 喷雾切削装置的结构见图2 - 2 ，由以下几部分组成：雾化器( 盐城液压件厂提 江苏大学硕士学位论文 供) ，空气压缩机，喷嘴及油管其工作过程如下：空气压缩机产生压缩空气，使 雾化器产生油雾，经喷嘴喷向刀具后刀面进行润滑和冷却。图2 - 3 为试验中使用的 雾化器实物图，实验中空气压缩机供给的压缩空气压力为1 s m p a ，每小时耗油量 5 0 m l ，喷嘴的直径为1 5 m m ，喷嘴与切削加工区的距离可调。 圈2 - 2 润滑油雾化喷募装置的结构示意圈 工件 圈2 - 3 雾化装置实物圈 图2 - 4 为润滑油雾化器原理图其工作原理如下；压缩空气经压缩空气入口1 进入雾化器，根据伯努利方程，在密闭容器内的流体流过其较粗部分时，压力高 流速低；而流经容器较细部分时，流速高压力低，而雾化器的结构设计为收缩式， 管内的流动液体在截面之间会产生p 的压力差，在该压差作用下，液体经供液管 从油箱5 被吸入供油定量泵4 中，在压缩空气作用下雾化并由喷嘴喷出。其中供 油量调节阀2 用于调节雾化器出油量的大小，空气流量调节阀3 用于调节压缩空 气的压力。 江苏大学硕士学位论文 1 压缩空气入口2 供油量调节阀3 空气流置调节阀 4 供油定量泵5 油箱6 定量泵动作频率调节阀7 油雾出口 田2 - 4 润滑油雾化器原理田 2 4 热电偶潮温仪 在诸多的切削温度测量方法中，自然热电偶法测量切削温度用得最广泛，是 最直接、最方便的测量方法【3 4 】。自然热电偶法主要用于测定切削区域的平均温度。 自然热电偶测温原理如图2 5 所示，它是利用刀具和工件分别作为自然热电偶的 两极，组成闭合电路测量切削温度 刀具引出端用导线接入毫伏计的一极，工件引出端的导线通过起电刷作用的 铜顶尖接入毫伏计的另一极。测温时，刀具与工件引出端处于室温下，且刀具， 工件和顶尖应与机床绝缘。切削加工时，刀具与工件接触区成为热电偶的热端， 与工件引出端( 热电偶的冷端) 形成温差电势，该电势值可用接入的毫伏计测出， 切削温度越高，该电势值越大。切削温度与热电势毫伏值之间的对应关系可通过 切削温度标定得到，根据切削实验中铡出的热电势毫伏值，可在标定曲线上查出 对应的温度值( 标定结果为7 6 0 c m v ) 。 利用箱式电阻炉进行标定：刀具材料作为一极，从待试工件上切下一条切眉 作为工件一极。工件材料、刀具材料与导线的接触点，即热电偶冷端的温度，与 切削实验时的室温基本相同，为了降低冷端温度，将引出端浸在冰水或循环冷却 的水槽中。i 件与刀具在炉内的接触点，即热电偶热端，用夹具夹紧，防止升温 时脱开或松动为了防止热端高温氧化，造成接触不良，可用石墨粉覆盖热端。 1 2 江苏大学硕士学位论文 圈2 - 5 自然热电儡涮量切削温度犀理圈 2 5 扫描电子显徽镜( s e m ) 原理 6 0 年代中期扫描电子显微镜( s e m ) 的出现。使人类观察微小物质的能力有 了质的飞跃。相对于光学显微镜，s e m 在分辨率、景深及微分析等方面具有巨大 优越性，因而发展迅速，应用广泛。随着科学技术的发展，使s e m 的性能不断提 高，使用的范围也逐渐扩大。 扫描电子显微镜主要用于各种材科的微观分析和成分分析，已经成为材料科 学、生命科学和各生产部门质量控制中不可缺少的工具之_ f 3 6 。本课题中使用s e m 来对刀具的磨损表面进行观察，得到后刀面的表面形貌。 s e m 由以下基本部分组成：产生电子束的柱形镜筒，电子束与样品发生相互 作用的样品室，检测样品室所产生信号的探头，以及将信号变图像的数据处理与 显示系统。镜筒顶端电子枪发射出的电子由静电场引导，沿镜筒向下加速。在镜 筒中，通过一系列电磁透镜将电子束聚焦并射向样品。靠近镜筒底部，在样品表 面上方，扫描线圈使电子束以光栅扫描方式偏转。最后一级电磁透镜把电子束聚 焦成一个尽可能小的