（机械电子工程专业论文）316l不锈钢的低温切削研究.pdf

摘要 中文摘要中又捅晏 难加工材料在二十一世纪各行业中的应用同益广泛，但是如何高效加工难加工材料 一直是困扰人们的难题。由于其切削加工性差，用传统的切削方法不仅刀具磨损严重， 而且加工质量难以保证，因此亟需研究新型的切削方法以提高加工质量及降低生产成 本。目前，绿色切削技术已成为一种发展趋势，本文采用液氮代替切削液的方法对难加 工材料进行了低温切削实验研究。 本文分析了难加工材料的切削规律，研究了低温切削的机理，并以典型的难加工材 料o o c r l 7 n i1 4 m 0 2 不锈钢( a i s l 3 1 6 l ) 为研究对象，在c k 6 1 3 2 b 数控车床上对其进行了 干切削与液氮低温切削的对比试验，研究了两种切削条件下切削力、表面质量、刀具磨 损及断屑情况的变化，并用正交试验法研究了切削用量三要素对3 1 6 l 不锈钢表面粗糙 度的影响规律，并对切削用量参数进行了优化。 通过低温切削与干切削的对比实验表明，采用液氮低温切削的方式可提高工件表面 加工质量、减少刀具的磨损、改善断屑效果，能在一定程度上减小切削力，作为清洁、 有效地绿色切削方式有很大的发展前景。 关键词：难加工材料；液氮；低温切削；奥氏体不锈钢；切削加工性 缸 ， ， ，0 t ， 雪 ； ，i - 二j ab s t r a c t a b s t r a c t i nt h e21s tc e n t u r y , h a r d c u t t i n gm a t e r i a l sh a v eb e e nu s e di n c r e a s i n g l yw i d e l y i nm a n yr e s p e c t s ，b u th o wt om a c h i n e h a r d c u t t i n gm a t e r i a l se f f i c i e n t l yi ss t i l la n a g g i n gp r o b l e m a ta l lt i m e s b e c a u s eo fi t sp o o rm a c h i n a b i l i t y , n o to n l yw e a r o fc u t t i n gt o o li ss e r i o u s ，b u td i f f i c u l tt om a i n t a i nah i g hm a n u f a c t u r i n g q u a l i t y w i t ht h et r a d i t i o n a lc u t t i n gm e t h o d s oi ti s n e c e s s a r yt oa p p l yn e wc u t t i n g m e t h o d st oi m p r o v em a n u f a c t u r i n gq u a l i t ya n dr e d u c et h ec o s to f p r o d u c t i o n a t p r e s e n t ，t h eg r e e nc u t t i n gt e c h n o l o g yh a sb e c o m eat r e n d ，t h ee x p e r i m e n t a ls t u d y o f c r y o g e n i cc u t t i n go nh a r d c u t t i n gm a t e r i a l sw i t ht h em e t h o do fl i q u i dn i t r o g e n i n s t e a do f c u t t i n gf l u i dw a sp u tf o r w a r di nt h ep a p e r i nt h i sp a p e r , t h ec u t t i n gl a wo f h a r d - c u t t i n gm a t e r i a l sh a db e e na n a l y z e da n d s t u d yo fm e c h a n i s mo fc r y o g e n i cc u t t i n gw a sd o n e t h r o u g ht h ec o n t r a s t e x p e r i m e n t so nc k 6 13 2 bc n cl a t h ew h i c ht o o kt y p i c a lh a r d c u t t i n gm a t e r i a l 0 0 c rl7 n i14 m 0 2s t a i n l e s ss t e e l ( a i s l 316 l ) a st h er e s e a r c ho b j e c ta n d a d o p t e d t w od i f f e r e n tk i n d sm a c h i n i n gw a y s - d r yc u t t i n ga n dc r y o g e n i cc u t t i n gw i t h l i q u i dn i t r o g e n ，t h ec h a n g e so fc u t t i n gf o r c e ，s u r f a c eq u a l i t y , w e a ro fc u r e ra n d c h i p b r e a k i n gb e h a v i o ro nt w oc u t t i n gc o n d i t i o n sw e r es t u d i e d a n db ys t u d y i n g t h el a wo fs u r f a c er o u g h n e s so f316 ls t a i n l e s ss t e e li n f l u e n c e db yt h et h r e e c u t t i n ge l e m e n t sb yo r t h o g o n a lt e s t ，t h ec u t t i n gp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d b yc o m p a r i n gr e s e a r c ho nt h ec r y o g e n i cc u t t i n ga n dd r yc u t t i n g ，i ti sv e r i f i e d t h a tt h ec r y o g e n i cc u t t i n gm e t h o dw i t hl i q u i dn i t r o g e nc a ni m p r o v et h es u r f a c e q u a l i t y , r e d u c et h ew e a ro fc u r e ra n de n h a n c et h ec h i p b r e a k i n ge f f e c t s t o s o m ee x t e n t ，i tc a nd e c r e a s et h ec u t t i n gf o r c e a sac l e a na n de f f e c t i v ew a yo f c u t t i n g ，t h ec r y o g e n i cc u t t i n gt e c h n o l o g yw i t hl i q u i dn i t r o g e np o s s e s s e sa n i n t e n s i v ed e v e l o p i n gf u t u r e k e yw o r d s ：h a r d c u t t i n gm a t e r i a l s ； a u s t e n i t i cs t a i n l e s ss t e e l ；m a c h i n a b i l i t y l i q u i dn i t r o g e n ；c r y o g e n i cc u t t i n g ； 目录 目录 第一章绪论j 1 1 1 低温切削的概念1 1 2 低温切削的研究状况1 1 2 1 国外研究状况2 1 2 2 国内的研究状况3 1 3 低温切削的分类及优点3 1 4 本课题研究的目的与特点5 1 4 1 研究背景5 1 4 2 研究的意义7 1 4 3 研究的主要内容7 第二章难加工材料的切削加工性及低温切削机理8 2 1 材料的切削加工性8 2 1 1 切削加工性的含义8 2 1 2 切削加工性的衡量指标8 2 1 3 影响工件材料切削加工性的因素，1 0 2 2 难加工材料的分类及切削加工特点1 1 2 2 1 难加工材料的分类1 1 2 2 2 难加工材料切削加工的特点1 1 2 2 3 改善工件材料切削加工性的途径1 2 2 3 不锈钢的切削1 3 2 3 1 不锈钢的种类1 3 2 3 2 不锈钢的切削加工性1 3 2 3 3 切削不锈钢时对刀具及切削用量的选择1 4 2 4 低温切削的作用机理1 5 2 4 1 低温脆性现象1 6 2 4 2 材料的低温机械性能! 1 7 2 4 3 影响材料低温性能的因素1 7 2 4 4 控制表面残余应力1 8 。一 目录 2 5 小结1 8 第三章切削力的实验研究1 9 3 1 切削力的来源与影响因素1 9 3 1 1 切削力的来源1 9 3 1 2 影响切削力的因素1 9 3 1 3 切削力的测量2 1 3 2 实验研究：2 2 3 2 1 实验系统装置2 2 3 2 2 实验方法2 4 3 3 实验结果及分析2 5 3 4 小结2 9 第四章低温切削对工件表面粗糙度的影响3 0 4 1 影响表面粗糙度的因素3 0 4 1 1 粗糙度的形成3 l 4 1 2 减小表面粗糙度的措施3 1 4 2 实验研究3 3 4 2 1 粗糙度测试方法3 3 4 2 2 试验设备和材料3 3 4 3 3 正交试验法3 3 4 3 4 因素与水平值的确定3 4 4 3 结果及分析3 5 4 3 1 试验结果3 5 4 3 2 分析3 7 4 4 小结3 8 第五章低温切削对刀具磨损的影响4 0 5 1 刀具磨损的原因分析4 0 5 1 1 刀具磨损的形态4 0 5 1 2 刀具磨损的原因4 2 5 1 3 刀具的磨损过程4 2 5 2 实验研究4 3 5 2 1 刀具的磨钝标准4 3 目录 5 2 2 试验方法4 3 5 3 试验结果分析4 4 5 4 小结4 6 第六章低温切削对断屑的影响4 7 6 1 切屑的类型4 7 6 2 实验研究4 8 6 3 试验结果与分析4 8 6 4 小结5 0 第七章结论5 1 参考文献5 3 致谢5 7 攻读学位期间发表的学术论文目录5 9 l ： f ： 参 墙 第一章绪论 第一章绪论 随着航空航天工业、核工业、兵器工业、石油化工、电子工业以及现代机械工业的 发展，对产品零部件材料的性能提出了各种各样的新的和特殊的要求。这些领域常需要 诸如超高强度、高硬度、高韧性、耐高温、抗辐照、耐腐蚀、抗疲劳等合金材料做工件 或刀具的材料，然而这些材料在传统技术和设备条件下，很难加工i lj 。长期以来，由于难 加工材料的切削加工性极差，给生产带来诸如效率低、质量差、刀具损耗等问题，一直 是切削加工中的难题。随着制造业的发展，2 1 世纪这些材料的用量将迅速增加，加工的 矛盾将更加突出。与此同时，产品的材料构成将不断优化，新的工程材料也不断问世， 而每一种新型材料的采用都对切削加工提出了新的要求。如在切削加工比较集中的汽车 工业，其发动机、传动器零件中硅铝合金的比例在持续增加，并开始引入镁合金和新的 高强度铸铁以减轻汽车重量，节省能耗；又如在航空航天工业，钛合金、镍基合金以及 超耐热合金、陶瓷等难加工材料的应用比例和加工难度也都将进一步增加；在石油化工 行业中经常要用到在高温高压下抗酸耐腐的奥氏体不锈钢部件，而奥氏体不锈钢属难加 工材料，切削加工性很差，用常规硬质合金刀具和常规方法加工很难达到所要求的加工 精度。能否高效加工这些材料，直接关系到我国汽车、航空航天、能源等重要工业部门 的发展速度和制造业整体水平，也是对切削技术的最大挑战1 2 j 。 高速、高质、高效、低耗与环保是目前机械制造业的发展方向，因此，国内外一直 都十分重视切削新技术的机理以及刀具的耐磨强化等研究，其中低温切削技术在切削加 工中的应用由于其初步展示的诱人前景而引起了人们的关注与重视。 1 1 低温切削的概念 所谓低温切削是将工件冷却并进行切削加工的一种切削加工方式。低温加工是利用 超低温流体在工件内或在刀具内形成局部的低温( 或超低温) 状态，从而利用在这种状态 下的工件和刀具的机械性能的改变，使其有利于机械加工1 3 j 。 1 2 低温切削的研究状况 在不久以前，低温还是一个不为人们熟悉的领域，一些低温工作只是在实验室里进 行，特别是液氢温度以下区域更是如此，可是近年来低温领域的工作有了巨大的发展， 特别是人造卫星、宇宙飞船、导弹工程、红外探测、超导技术、低温电子学等方面发展 对低温技术提出了许多新要求，更促进了低温技术的发展，曾有人评论“如果说二十世 纪的上半叶是高温工艺发展的半个世纪的话，那么二十世纪的下半叶则是发展低温工艺 的半个世纪。”目前低温技术仍处于大发展时期。 3 1 6 l 不锈钢的低温切削研究 2 1 国外研究状况 国外对低温加工的研究开展的很早，早在二十世纪五十年代，日本、美国等国家就 低温加工进行了研究。 1 9 5 3 年b a r t l e 等人开始了低温切削试验，液态c 0 ：作为冷却切削剂从喷管直接吹 切削点，据报道，与原来相比切削效果提高二倍以上【3 】。 1 9 5 9 年1 月东京工业大学的益子和隈部教授对低温切削的切削效果在实验上及理 上首先作出了明确解释，解释了材质的低温脆化而使工件的材质随着具有低温脆性， 难切削材料的加工成为比较容易的，刀具寿命也能延长的理论，并在试验中得到证实。 试验中，他采用c 0 ：气冷却酒精的冷却方法，在丌放式冷却回路中，对切削局部在冷 浴中进行冷却，冷却程度为+ 1 0 一9 0 ，达到了理想的切削效果。1 9 6 2 年武藏工业大 的冈本采用乙二醇水溶液对刀具内部进行了冷却，冷却程度为一2 5 - - 一3 0 ，采用的是 塞式冷却回路；1 9 6 3 年t r i g g e r 等人把铜以及铝冷却到一1 9 0 的极低温度进行了种种 验；1 9 6 5 一- 1 9 6 6 年东洋大学的上原教授采用液态c o ：和液氮对被切材料进行了冷却， 却程度达到一2 0 0 ，冷却回路为开放式的；1 9 6 7 年1 1 月京都大学的奥岛等人采用电 冷却的方法对刀具进行冷却，冷却程度为一8 ，1 9 6 8 年他又用液态c o ：和液氮冷却刀 ，冷却程度达一7 0 一1 9 0 【4 j 。以上这些方法均取得了良好的切削效果。 美国从1 9 6 5 年开始进行低温处理方法的研究，主要应用对象在航空领域，2 0 世纪8 0 年代后拓宽到了机械制造领域。1 9 6 8 年u e h a r a 和k u m a g a i 用液氮作为冷却剂冷却工件， 分别对低碳钢、9 9 9 纯钛和1 8 - 8 不锈钢进行了车削试验，低温切削的效果以切削力、 表面粗糙度、切削温度、切屑的形成及切屑的金相组织来比较，试验结果中，一个显著 地提高是切削力的下降、表面粗糙度的减小及积屑瘤的减少；1 9 8 1 年d o n a l dr d r e g e r 5 】 通过对刀具进行深冷处理发现，经过深冷处理后刀具材料的机械性能都有所提高和改 善；2 0 世纪9 0 年代初期美国路易斯安娜工业学院机械系研究了低温处理对钢的耐磨性的 影响机理【6 1 ；据美国j a m e st o o lm a c h i n ea n de n g i n e e r i n g 公司的研究结果，对刀具进 行深冷处理能明显延长刀具的使用寿命【7 】；美国怀特州立大学的s y h o n g 博士【8 】首先解 决了液氮从贮存罐到切削区流动过程中的挥发问题，然后在液氮冷却的超低温状态下， 对车削加工方法进行了广泛的研究；其后美国哥伦比亚大学的w o o - c h e o lj e o n g 博士一j 进一步研究了液氮在切削加工中的润滑性能，他对低碳$ n a i s l l 0 0 8 、高碳钢a i s l l0 1 7 、 不锈钢a i s l 3 0 4 和钛合金t i 一6 a l 一4 v 等材料进行了切削研究，从切削力、切屑显微结构、 刀具磨损及摩擦效率几方面证明了采用液氮低温切削的方式有良好的断屑性和延长刀 具寿命的优势；林肯大学的z y w a n g i i o j 在聚晶立方氮化硼刀具上部的方盒内储存液氮， 2 第一章绪论 由进口输入，从出口流出，用这种方式进行陶瓷氮化硅车削实验，结果表明，刀具材料 在低温加工状态下能够保持良好的切削性能，从而提高了刀具寿命，保证了切削效率和 加工质量。 印度工学院的s p a u l 1 对五种常用钢材在使用液氮的超低温磨削条件下作了试验， 结果表明，合理的使用液氮可使磨削温度保持在材料发生相变温度之下而不发生磨削烧 伤，并且在材料塑性增大和大进给量的条件下效果更显著。 1 2 2 国内的研究状况 我国研究低温技术始于1 9 7 3 年，首先推广了“电子冷冻切削加工”。这项技术在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。 另外哈尔滨工业大学对低温加工也进行了研究，他们采用液氮冷却工件加工难切削 材料，取得了一定的成功。沈阳工业学院对电子冷冻切削加工进行了系统的研究，其采 用电子冷源冷却刀具，可将刀具温度冷至0 一6 0 。c 并研究了冷冻装夹等问题，取得了较 好的加工效果。华南理工大学金属切削研究室对深冷技术在切削加工中的应用进行了一 系列的研究：胡华南等对局部急冷切削加工进行了研究，对急冷切削过程中切削变形区 的温度场进行数值模拟计算并经实验验证，研究结果显示局部急冷切削加工可使工件表 面获得残余压应力，或降低残余拉应力，从而改善工件表面质量，对解决或减少关键零 部件的非正常失效有重要意义嘲。太原科技大学的闫献国教授对高速钢的深冷处理技术 也进行了研究，研究表明，高速钢通过深冷处理可以提高其机械性能和使用性能【5 4 1 。 国内对低温切削加工也进行了试验研究，并取得了一些进展。主要应用在以下几方、， 面：一是具有低温脆性的钢铁等材料的切削加工；。二是对一些难加工及很难加工的不锈 钢、钛合金、高强度钢、高强度耐热合金等材料低温切削，可显示其独特的优越性；三 是解决了一些非金属材料及复合材料难加工问题。 1 3 低温切削的分类及优点 低温切削的分类方法很多，按照不同的分类原则可分为以下几类【1 2 1 4 】： 1 ) 根据冷却对象分类 根据冷却对象的不同，可分为冷却刀具的低温切削和冷却工件的低温切削。 2 ) 根据冷却温度分类 这是日本的分类方法，将低温切削分为以下三类： ( 1 ) 常温以下区( 4 - - - 6 ) 这种切削方法是使切削区域的温度保持在4 6 。c 室温以下的低温切削，不只限制利 用冷却油的冷却，而且还可应用机械的润滑油。 3 3 1 6 l 不锈钢的低温切削研究 ( 2 ) 低温区( 0 一3 0 ) 在低温区的切削一般采用的是将工件浸入温度一定的冷却槽中，一边冷却一边进行 切削的加工方法。 ( 3 ) 极低温区( - 5 0 以下) 这种切削方法是使切削区的温度保持在- 5 0 c 以下进行的切削加工，在这样的温度 下利用了金属的低温脆性，在较低的速度下切削时不仅能得到良好的加工表面，而且切 削力也大大变小；在速度变高时产生的切削热，虽然不能够降低切削力，但在某种程度 上可以防止刀瘤的产生。因此，即使没有低温脆性的材料，也能减少表面粗糙度。 3 ) 根据冷却形式不同分类 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 低了刀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刀具内部冷却 法，这是用比较简单的冷冻装置使冷却的制冷剂在切削刀具的开孔内循环，一面连续性 地冷却刀尖，一面进行切削，这种冷却方式可以使整个刀具的温度一致，故冷却效果较 好。 4 ) 根据冷却的连续性不同分类 这种分类方法将低温切削分为间断的低温切削和连续的低温切削。间断的低温切削 是把工件放入冷冻槽中冷冻再取出进行加工的方式，由于冷却温度的不一致，因此冷却 效果差；连续低温切削是指对整个工件进行连续的冷却，冷却效果比较好； 5 ) 根据制冷方式不同分类 按照这种分类方法，低温切削主要有低温冷风冷却和液氮( 或液态c o ：) 冷却两种 切削方式： ( 1 ) 冷风冷却 低温冷风切削是将经制冷系统冷却的一3 0 c 左右的低温强冷风对切削部分进行冷却 的方法，这是日本横川技术研究所的横川和彦于1 9 9 6 年提出的，是一种无污染的加工 方法。 ( 2 ) 液氮( 或液态c o d 冷却【1 5 , 1 6 】 采用液氮作为冷却剂，利用自身瓶装压力直接喷射到切削区一液氮喷淋式；或利用 液氮受热、蒸发循环来直接冷却刀具和间接冷却工件一液氮循环式。 液氮和液态c o ：作为冷媒利用于机械工业中，在加工中或把这些冷媒直接喷向加工 目标，譬如切削点，或把工件浸泡在这些液态物质中，进行低温加工。实际上工件质量 越大，工件吸收的热量就越多，所以，冷却到预定的低温还是有很多困难的，难以达到 4 第一章绪论 其预想目的。在实验中，在一2 0 7 0 c 时，除特殊材料以外，一般材料在低温时产生 所谓的低温脆性，切削加工方能很好地进行，这种现象被认为是低温利用的效果。 总之，低温切削的分类方法多种多样。根据低温切削加工的介质、冷却温度以及冷 却方法的不同，常见的低温切削方法有以下几种： 1 ) 用低温液体( 液氮、液态c 0 2 ) 做冷却剂的低温切削； 2 ) 用低温气体进行冷却的低温冷风切削； 3 ) 利用冷却装置冷却切削液的低温切削； 4 ) 刀具内部冷却法的低温切削； 5 ) 电子冷却切削法； 6 ) 化学制冷的低温切削； 7 ) 利用封闭回路冷却装置的低温切削。 与传统切削方式相比，低温切削有很多优点，大致表现在以下几个方面： 1 ) 低温切削可以降低切削区的温度从而有利于减少刀具的磨损； 2 ) 低温切削避免了使用冷却油剂，不仅节约了油剂采购的费用，还节约了乳化液的处理 费用，对保护环境和工人健康有益； 3 ) 低温切削可以改善工件材料的切削加工性； 一 4 ) 低温切削可以起到改善工件表面加工质量的作用； 5 ) 由于低温切削降低了切削温度，可以适当提高切削速度以提高加工效率； 6 ) 当冷却剂为惰性气体时，可以保护切削区免受氧化，使切削变得更容易。 1 4 本课题研究的目的与特点 1 4 1 研究背景 随着科学技术的发展，难加工材料在各行业的应用也日益广泛，但由于难加工材料 的切削加工性差，如何有效的加工难加工材料一直是困扰人们的一个难题，加工方法也 是多种多样。 在精密加工中，必须提高成品的精加工尺寸及加工表面的粗糙度。从任何一点看， 不管在任何切削条件下，重要的是尽量延长刀具寿命，缩短由于刀具磨损而浪费的时间， 减少由于磨刀而使操作者和机床的停工时间。 从以上观点出发，人们对切削加工进行了很好地研究，即对难加工材料的有效加工 方法以及对普通的工件也要提高其加工效率和精度的相应手段进行探讨。在推行新的切 削方法中有两大类：第一类是利用热能，第二类是利用动能。 1 ) 利用热能的切削加工它是使用辅助能量，增加一般的切削能，达到容易切削的 s 3 1 6 l 不锈钢的低温切削研究 效果的一种方法。在这种辅助能量中，利用加热或冷却的方法。通常所说的加热切削( 高 温切削) 和冷却切削( 低温切削) 均属此种加工。 2 ) 利用动能的切削加工对于切削加工通常是通过刀具的材质、刀具切削刃的形状 和切削条件的变化选出具备良好切削作用的材质进行切削加工。不能满足时，通过对刀 具增加特殊的动能，取得良好的加工表面。这一方法对显著提高加工效率的手段进行了 丌发。例如，可在振动切削、反转切削、高速切削等范畴予以研究。特别是应注意对于 特殊材料，在每分钟数千转以上的高速切削区的超高速切削等方面的研究，这个领域的 研究，今后将会伴随着刀具材料改良而被开发利用。 目前在难加工材料的切削加工方法中，用的较多的仍然是传统的浇注切削液的方 法，然而切削液的大量使用带来了突出的负面影响【l m i 】： 1 ) 零件的成本大幅度提高。在零件加工的总成本中，切削液的成本占1 6 ，而刀具 的费用只占总成本的4 ；使用后的切削液和切屑需要进行处理后才能回收利用，增加了 处理费用；随着环境要求的提高，用于防止污染而增加的设备费用会进一步增加，按照 德国规定，氯含量超过5 的冷却润滑液属于危险物品，在使用和销毁时应有特殊的防范 措施，因此，德国专家预测：由于环境保护提出的要求，加工中采用传统切削液加工发 生的相关费用占生产总费用的比例会由1 5 上升至3 0 ；此外一些切削液会腐蚀机床而导 致机床故障。 2 ) 造成对环境的严重污染。油剂切削液在高速或重载切削条件下产生高温化学反 应，释放有害气体和油雾，燃点和黏度越低，烟雾就越大，污染越重，且易燃，安全性 差；为了提高切削液的冷却润滑和防护性能，往往在切削液中添加含有s 、p 、c l 等化学 元素的极压添加剂、防护剂、防雾剂等，在使用中遇高温时会生成新的化合物，当未经 处理的切削废液排入江河湖泊中，危害极为严重，如亚硝酸盐类化合物可以使人体中毒； 硝酸盐类化合物使水面出现蓝藻和赤潮等富营养化现象，污染土地、水源和空气，严重 影响植物生长、农业灌溉和人的生活用水，破坏生态环境。 3 ) 影响工人的身体健康。如切削液中含有氯化合物和甲醛类化合物会刺激人体感 官，与人体直接接触会诱发多种皮肤病甚至癌症：在切削过程中，切削液受热挥发形成 烟雾，直接污染室内空气，引起操作工人呼吸道和肺部疾病。 2 0 世纪9 0 年代以来激烈的市场竞争推动了机械制造技术为先导的先进制造技术以 前所未有的速度和广度向前发展高生产率和高质量是先进制造技术的两大目标因此合 理利用资源污染小废物少的“绿色制造”技术将成为2 1 世纪的主流。 在目前的发展水平下，我国有大量的机床和机加工需求，但是设备相对落后，大都 6 第一章绪论 还处于传统的用切削液冷却的加工方式下，由于经济水平的限制，设备更新的能力和速 度都有限，干切削所要求的高标准机床难于达到，这就迫使研究者只能在现有机床水平 上改良切削技术，因此采用环保型切削液和低温切削加工成为首选，而切削液由于其特 殊的用途使得不可能完全消除其中的有害物质，低温切削的研究和推广就势在必行。 1 4 2 研究的意义 目前难加工材料的应用越来越广泛，由于其加工性太差，如果采用传统的加工方法 加工过程中刀具的磨损非常严重，还使用大量的切削液造成了一系列负面影响：如制造 成本增加、造成环境污染、损害工人的身体健康等，而液氮冷却切削技术的应用以液氮 作为冷源，利用其相变( 气化) 吸热来获得低温环境，氮气是大气中的最主要成份，因此低 温切削技术的应用对环境无害，属于绿色制造技术范畴。 现代制造业的绿色制造是国际上受人关注的研究课题，2 1 世纪的金属切削加工将向 着高速、强力和高精度方向发展，其目标是在全社会实现环保型、清洁化、低能耗生产 的绿色制造。采用先进制造技术是国家“九五”期间发展规划的重要领域，是当代国际 间科技竞争的手段之一。显然，减少切削加工中的切削液等因素给环境带来的污染，探 索新的金属切削加工润滑冷却方式是绿色制造在工艺上应用的一个重要方面，是可持续 发展的需要也是不断涌现的新工艺的必然要求，更是经济性的必然要求。 ： 1 4 3 研究的主要内容 1 ) 研究难加工材料的切削加工性及切削规律； 2 ) 研究低温切削的作用机理； 一 3 ) 选择切削加工方式，本课题选择外圆车削作为低温切削的实验形式； 4 ) 低温冷源的制备，本课题采用液氮作为冷却剂冷却切削区域的方式进行低温切削 试验； 5 ) 选择典型的难加工材料奥氏体不锈钢为研究对象，进行低温切削试验，并与干切 削在同样的切削条件下进行对比试验； 6 ) 探讨在液氮低温切削条件下切削力、表面质量、刀具磨损及切屑折断的变化情况； 7 ) 采用正交试验法优化切削参数，以获得更好的表面质量。 7 3 1 6 l 不锈钢的低温切削研究 第二章难加工材料的切削加工性及低温切削机理 2 1 材料的切削加工性 研究难加工材料的切削加工性，掌握切削规律，寻求技术措施，是当前切削加工技 术中的重要课题。 2 1 1 切削加工性的含义 材料的切削加工性( m a c h i n a b i l i t y ) ，是指在一定切削条件下，对某种材料进行切 削加工的难易程度【3 0 1 。但这种定义有局限性，因为只考虑了材料本身的性质( 如物理、 力学性能等) 对于加工的影响，没有考虑由材料转变为零件的过程中应考虑的其它因素。 实践表明，零件的技术条件和加工条件，对切削加工性影响很大。对于同一种被力n - t - _ 材 料，如零件的技术条件和加工条件不同，则其加工的难易程度有着很大的差异。 例如：毛坯的制造质量对零件的加工性影响很大，形状不够规整且表面带有硬皮的 铸件、锻件常给加工带来困难；同一种材料但结构、尺寸不同的零件，其加工性也有着 很大的差异，如特大、特小的零件、弱刚性零件或形状特别复杂的零件，都比较难加工； 尺寸精度和表面质量要求高的零件较难加工，要求低的零件较易加工；用某种切削性能 较差的刀具加工高硬度、高强度材料，显得很困难，甚至根本不能加工，如换一种切削 性能好的刀具，却能使加工顺利进行；在普通机床上使用通用央具，加工某一零件非常 困难，如改用专门机床和专用夹具，则加工并不难解决；采用新型的极压切削液、可以 改善加工性；选用合理的切削用量，也可以使加工进行得顺利一些。 由此可见，在研究材料加工性的同时，还应当有针对性地研究零件的加工性。二者 结合起来，对生产就有更大的指导意义。 生产批量对加工性也有影响。在相同条件下加工同一材料的零件，批量小的比较容 易解决；批量大的对生产率有更高要求，加工难度较大。 2 1 2 切削加工性的衡量指标 既然切削加工性是一个相对的概念，衡量切削加工性的指标就不能是唯一的。因此， 一般把切削加工性的衡量指标归纳为以下几个方面【3 0 , 3 1 】： 1 ) 以加工质量衡量切削加工性 一般零件的精加工，以表面粗糙度衡量切削加工性，易获得很小的表面粗糙度的工 件材料，其切削加工性高。对一些特殊精密零件以及有特殊要求的零件，则以已加工表 面变质层的深度、残余应力和硬化程度来衡量切削加工性。因为变质层的深度、残余应 力和硬化程度对零件尺寸和形状的稳定性以及导磁、导电和抗蠕变等性能有很大影响。 8 第二章难加j r 材料的切削加j ：性及低温切削机理 2 ) 以刀具耐用度丁或一定耐用度下的切削速度v ，衡量切削加工性 以刀具耐用度来衡量切削加工性，是比较通用的，最常用的衡量切削加工性的指标 是：在保证相同刀具耐用度的前提下，切削这种工件材料所允许的切削速度，以v ，表示。 其含义是：当刀具耐用度为t ( m i n 或s ) 时，切削这种工件材料所允许的切削速度值。 在相同的切削条件下加工不同材料，显然，刀具耐用度t 较长或一定耐用度下切削速度 1 ，丁较高的那一种材料，其加工性较好；反之，丁较短或，r 较低的材料，其加工性也较差。 3 ) 以切削力和切削温度衡量切削加工性 在相同的切削条件下，切削力大或切削温度高，则切削加工性差。机床动力不足 时，常用此指标。 4 ) 以切屑控制或断屑的难易衡量切削加工性 在数控机床、加工中心或现代制造系统中高速切削塑性材料，或者对断屑性能要求 很高的工序，如深孔钻削、盲孔镗削工序等，常以此为衡量切削加工性的指标。凡切屑 容易控制或容易断屑的材料，其切削加工性较好；反之，则较差。 一 以上是常用的切削加工性指标。国外还有用零件的加工费用或加工工时作为切削加 工性的综合指标，在生产中有实用价值。显然，凡加工费用低、加工工时短的材料和零 件，其切削加工性较好；反之，则较差。 生产中通常使用相对加工性来衡量工件材料的切削加工性，所谓相对加工性是以4 5 钢的1 ，为基准，即以4 5 钢刀具耐用度t = 6 0 m i n 时对应的切削速度作基准，记作k ) ， 其它被切削的工件材料的v 6 0 与之相比的数值，记作k ，即相对加工性：k ，= ，6 0 ( v 。) ， 可以看出，k 。的值越小，表明材料的切削加工性越差；反之，k 。的值越大，则表明材料 的切削加工性越好。 ， 目前常用的工件材料，按其相对加工性可分为八级，如表2 1 所示： 9 3 1 6 l 不锈钢的低温切削研究 表2 1 ：l ：件相对切削加：i ：性等级【3 0 1 t a b l e 2 1t h ec l a s so f r e l a t i v em a c h i n a b i l i t yo f w o r k p i e c e s l 3 0 】 加工性 名称；受种类 相对加工性 代表性工件材料 等级 k v 很容易切 一般有色 1) 3 0 5 - 5 - 5 铜铅台佥，9 - 4 铝铜台金 削材料金属 2 易切钢 2 5 - - 3 0 退火1 5 c z 巧三0 3 7 3 0 4 4 1 g p a 容易切削 材料 3 较易切削钢 1 6 - - 2 5 正火3 0 钢巩= o 9 5n 1 o g p a 一般钢殛 41 0 一- - , 1 6 4 5 钢，灰铸铁，结构钢 铸铁 普通 材料 稍难切削 2 c r l 3 调质巧= 0 8 2 8 8 g p a 5 0 6 5 ，1 - o 材料 8 5 钢轧制q = 0 8 8 2 9 g p a 较难切削 4 5 c r 调质岛= 1 0 3 g p a 60 5 - 0 6 5 材料 6 5 融调质= 0 9 5 1 o g p a 难切削 5 0 c x v 调质，i c x l 8 n i g t i ， 7 材料 难切削材科0 1 5 - 0 5 钛及钛合金 很难切削 80 1 5 某些钛台金，镍基高温台金 材料 2 1 3 影响工件材料切削加工性的因素 1 ) 硬度和强度 材料硬度高时，切屑与前刀面的接触长度减小，因此前刀面上法应力增大，摩擦热 量集中在较小的刀一屑接触面上，促使切削温度增高和磨损加剧。工件材料的硬度过高 时，甚至引起刀尖的烧损和崩刃。此外，工件材料的高温硬度愈高，切削加工性愈差。 在切削加工中，被切削层材料产生剧烈的塑性变形，从而发生硬化，材料经加工硬 化后其硬度比原始硬度提高很多、使刀具发生磨损。故工件材料的加工硬化性能愈高， 则刀具耐用度越低，即材料的切削加工性越差。 在一般情况下，同类材料中硬度和强度越高，切削力就越大，切削温度越高，刀具 磨损越快，故切削加工性越差。 2 ) 塑性和韧性 l o 第二章难加。l ：材料的切削加i ：性及低温切削机理 材料的塑性以伸长率和断面收缩率表示。材料强度相同时，塑性越大，则塑性变形 大，消耗的塑性变形功增大，切削力较大，切削温度也较高，且易与刀具发生粘结，刀 具的磨损大，以) r o t 表面粗糙。因此，材料塑性越大，切削加工性越差。 韧性以冲击值表示，材料的韧性越大，切削时消耗功多，切削力大，且韧性对断屑 的影响比较大，故韧性越大，其切削加工性越差。 3 ) 导热性 工件材料的导热系数越大，由切屑带走的和由工件传导的热量越多，有利于降低切 削区的温度。一般情况下，导热系数高的材料，其切削加工性都比较高；而导热系数低 的材料，切削加工性都较低。 4 ) 化学成分 钢中的c r 、n i 、v 、m o 、w 、m n 等元素大都能提高钢的强度和硬度，s i 和a 1 等元素 容易形成氧化铝和氧化硅等硬质点使刀具磨损加剧。这些元素含量较低时( 一般以0 3 为限) ，对钢的切削加工性影响不大；超过这个含量水平，对钢的切削加工性是不利的。 钢中加入少量的硫、磷等元素后，能略降低钢的强度，又能降低钢的塑性和韧性，可改 善断屑情况，提高已加工表面质量，使切削加工性有所提高，但要控制这些元素的含量， 当含量高时又会使钢的切削加工性变差。 5 ) 金相组织和热处理 金相组织是决定工件材料物理力学性能的重要因素，金属的成分相同但组织不同 时，其力学物理性能也不同，自然也使切削加工性不同。如果条件允许，可用热处理的 方法改变金相组织来改善钢的切削加工性。 2 2 难加工材料的分类及切削加工特点 2 2 1 难加工材料的分类 难加工材料是指难以进行切削加工的材料，即切削加工性差的材料，一般将相对切 削加工性等级在5 级以上的材料称为难加工材料【3 2 1 。难加工材料品种繁多，分类方法各 异。根据材料的化学成分、机械性能和用途，难加工材料可分为以下几类：淬硬钢、耐 蚀耐磨铸铁、不锈钢、高强度钢、高温合金、钛合金、高锰钢、热喷涂( 焊) 合金材料、 难加工的有色金属材料、难加工的非金属材料。 2 2 2 难加工材料切削加工的特点 1 ) 切削力大 切削力大是由于两方面原因：( 1 ) 材料的硬度高，强度大或者塑性、韧性好，切削 变形抗力大；( 2 ) 刀屑接触长度短，使刃口附近的接触应力增大。 1 1 3 1 6 l 不锈钢的低温切削研究 2 ) 切削温度高 切削温度高也有两个方面原因：( 1 ) 由于切削时消耗的变形功多，这些变形功绝大 多数变成热量，使热量增多；( 2 ) 导热系数小，切削热不易传出，聚集在切削区。 3 ) 加工硬化倾向大 由于材料的塑性大、韧性高，在切削力的作用下产生大的塑性变形，使晶格扭曲， 造成加工硬化，工件的表面质量和精度均不易达到要求。 4 ) 刀具磨损大 刀具磨损有以下几个原因：( 1 ) 切削力大，切削温度比较高，使刀具破损的机率大， 刀具容易产生氧化磨损、扩散磨损等；( 2 ) 弥散的硬质点、渗碳体等组织会对刀具产生 较强的磨料磨损；( 3 ) 材料的塑性大，与刀具材料之间的亲和作用容易产生粘结磨损和 扩散磨损；( 4 ) 加工硬化等原因容易产生边界磨损；( 5 ) 材料的塑性高或弹性大，增加了 切屑和刀具前刀面或者加工表面与刀具后刀面的磨擦，加剧了刀具前刀面和后刀面的磨 损。 5 ) 不易断屑 强度高、塑性和韧性大的工件材料，切屑连绵不断、不易处理。 难加工材料的上述切削加工特点除与材料本身性能特点关系密切外，不同的切削条 件也对它们有影响，即切削加工条件( 刀具材料、刀具几何参数、切削用量、切削液、 机床、：l 具及工艺系统刚度等) 和加工方式也对切削加工的难易有影响 3 2 , 3 3 】。 2 2 3 改善工件材料切削加工性的途径 为改善工件材料切削加工性以满足加工部门的需要，在保证产品和零件使用性能的 前提下，采取措施达到改善切削加工性的目的。常用的措施有：