低温冷风切削加工实验研究

1、西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页摘要切削力和刀具磨损是切削过程中刀具和工件之间相互作用的结果。切削力和刀具磨损都是切削过程中发生的重要物理现象，对切削过程有着重要影响。切削力将直接影响切削功率和切削热；刀具磨损量直接影响到工件加工质量和生产成本，并引起工艺系统的变形和机床的振动。所以，切削力和刀具磨损量是设计机床、刀具、夹具的重要依据，掌握它们的变化规律对分析和解决生产中实际问题具有重要的指导意义。在金属加工中，切削液会产生环境污染，同时对人体也有害，它的使用受到了越来越多的限制。绿色制造迎合I S 0 1 4 0 0 0 环境标准，符合可持续发展的要求，是未来机械加工的发展趋势。低温冷

2、风切削加工作为一种新兴的绿色制造方式，与传统的切削加工在冷却方式上有很大的不同。冷却方式的不同，会引起刀具和切屑及刀具和工件间的摩擦发生变化。具体表现为切削温度、切削力、刀具寿命、；b n - r 表面质量都与传统加工方式有所不同。课题针对三种经典的金属材料：Q 2 3 5 B 钢、4 5 钢和T C 4 钛合金在三种不同的冷却条件下进行切削实验，试图从中找出切削力和刀具磨损量在冷风条件下的变化规律。总的来说，主要进行了下面三个方面的研究工作：1 、针对三种不同的冷却方式，对比分析切削力的变化规律。得出了在冷风条件下切削力最小的结论，同时也发现了在切削Q 2 3 5 B 钢时冷却液不但没有起到

3、应有的冷却润滑作用，反而增大了切削力和刀具磨损量。2 、对每种实验材料都建立起了适用于冷风条件下的切削力经验公式，通过统计学检验得出切削力与冷风温度呈指数关系变化的结论。3 、对比不同材料在不同的冷却条件下刀具的磨损量发现：在冷风条件下，刀具的磨损量是最小的。同时从刀具磨损量的角度再次说明了在切削Q 2 3 5 B 钢时冷却液不但没有起到应有的冷却润滑作用反而增大了切削力和刀具磨损量的问题。关键词：低温冷风；切削加工；切削力；刀具磨损量西南交通大学硕士研究生学位论文第1 I 页A B S T R A C TC u t t i n gf o r c ea n dt o o lw e a ra r

4、 et h er e s u l t so fi n t e r a c t i o nb e t w e e nt h et o o la n dt h ew o r kp i e c e C u t t i n gf o r c ea n dt o o lw e a r , w h i c ha r ei m p o r t a n tp h y s i c a lp h e n o m e n ao c c u rd u r i n gt h ec u t t i n gp r o c e s s ，h a v ei m p o r t a n ti n f l u e n c eo n

5、t h ec u t t i n gp r o c e s s C u t t i n gf o r c ew i l ld i r e c t l ya f f e c tt h ec u t t i n gp o w e ra n dc u t t i n gh e a t ；t o o lw e a l c a na f f e c tt h ew o r kp i e c eq u a l i t ya n dp r o d u c t i o nc o s t s ，a n dc a u s ep r o c e s ss y s t e md e f o r m a t i o n

6、a n dm a c h i n et o o l sv i b r a t i o n C u t t i n gf o r c ea n dt o o lw e a r ，t h e r e f o r e ，a r et h ei m p o r t a n td e s i g nc r i t e r i o no fm a c h i n et o o l ，c u t t i n gt o o l sa n dj i g s T og r a s pt h ec h a n g er e g u l a r i t i e sw i l lb eo fg r e a tg u i

7、 d i n gs i g n i f i c a n c ef o rt h ea n a l y s i sa n dr e s o l u t i o no fp r a c t i c a lp r o b l e m si nt h ep r o d u c t i o n I nm e t a lm a c h i n i n g ，c u t t i n gl i q u i dw i l lc a u s ee n v i r o n m e n tp o l l u t i o n ，a n di ti sh a r m f u lt ot h eh u m a nb o d

8、 y I th a sb e e nm o r ea n dm o r er e s t r i c t i o n sf o rt h eu s eo fc u t t i n gl i q u i d G r e e nM a n u f a c t u r i n g ，w h i c hc a t e r st ot h eI S O14 0 0 0e n v i r o n m e n ts t a n d a r d ，a n di si n l i n ew i t hr e q u i r e m e n t so fs u s t a i n a b l ed e v e l

9、 o p m e n t ，i st h ef u t u r et r e n do fm a c h i n i n gd e v e l o p m e n t T h ec o l d b l a s ta i rc u t t i n ga san e wk i n do fg r e e nm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yd i f f e r sf r o mt h et r a d i t i o n a lc u t t i n gc o o l i n gm e t h o d s T h ef r i c t i o

10、 nr e s u l tb e t w e e nt h et o o la n dt h ec u t t i n gc h i p ，t h et o o la n dw o r kp i e c ea r e d i f f e r e n tb yd i f f e r e n tc o o l i n gm e t h o d s T h es p e c i f i ce x t e r n a lr e f l e c t i o ni st h a tc u t t i n gt e m p e r a t u r e ，c u t t i n gf o r c e ，t o

11、 o ll i f ea n ds u r f a c eq u a l i t yo fw o r kp i e c ea r es o m e w h a td i f f e r e n tf r o mt h et r a d i t i o n a lp r o c e s s i n gm e t h o d s T h ee x p e r i m e n t su s i n gt h r e ek i n d so f m e t a lm a t e r i a l ，s t e e lQ 2 3 5 Ba n d4 5a sw e l la st i t a n i u

12、ma l l o yT C 4u n d e rt h r e ed i f f e r e n tc o o l i n gc o n d i t i o n s ，a r ec a r r i e do u ti n t h i ss u b j e c t ，i no r d e rt of i n dt h ev a r i a t i o no fc u t t i n gf o r c ea n dt o o lw e a ru n d e rc o l d - b l a s ta i rc o o l i n gc o n d i t i o n T h ef o l l o

13、w i n gt h r e ea s p e c t sa r eo b t a i n e di nt h er e s e a r c hw o r k s ：1 A i m e da tt h r e ec o o l i n gm e t h o d s ，c u t t i n gf o r c ea r et e s t e da n da n a l y z e d T h ec o n c l u s i o nt h a tt h ec u t t i n gf o r c ei st h es m a l l e s tu n d e rt h ec o l d b l

14、a s ta i rc o n d i t i o ni so b t a i n e d A n da ni m p o r t a n tp h e n o m e n o nt h a tt h ec u t t i n gl i q u i d西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ll 页c a n n o tp l a yi t sp r o p e rc o o l i n ga n dl u b r i c a t i o nr o l e s ，b u ti n c r e a s e dt h ea m o u n to fc u t t i n gf o r c ea n d

15、t o o lw e a rw h i l ec u t t i n gs t e e lQ 2 35 Bi sf o u n d 2 T h ee m p i r i c a lf o r m u l a s o fc u t t i n gf o r c es u i t a b l ef o rc o l d b l a s ta i rm a c h i n i n ga r ee s t a b l i s h e df o rt h et e s tm a t e r i a l s a n dac o n c l u s i o no b t a i n e da f t e r

16、s t a t i s t i c a lt e s ti st h a tt h ec o l da i r St e m p e r a t u r ei sa l li n d e xo fc u t t i n gf o r c e 3 C o m p a r i n gd i f f e r e n tm a t e r i a l sa td i f f e r e n tc o o l i n gc o n d i t i o n s ，t o o lw e a ri sm i n i m a li nt h ec o l da i rc o n d i t i o n A tt

17、 h es a m et i m e ，i ts h o w e da g a i nt h a tw h e nc u t t i n gQ 2 35 Bt h ec u t t i n gf l u i dw a sn o to n l yf a i l e dt op l a yi t sp r o p e rc o o l i n ga n dl u b r i c a t i o nr o l e s ，b u ta l s oi n c r e a s e dt h ea m o u n to fc u t t i n gf o r c ea n dt o o lw e a rf

18、r o mt h ep e r s p e c t i v eo ft o o lw e a r K e y w o r d s ：C o l d - b l a s tA i r ；M a c h i n i n g ；C u t t i n gF o r c e ；T o o lW e a r i n gC a p a c i t y西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印

19、、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1 、保密口，在年解密后适用本授权书；2 、不保密么适用本授权书。( 请在以上方框内打“、)学位论文作者签名：埘茹卜指导教师签名日期：a 。f b 年弓月7E t日期：z 移D 年夕月D 日西南交通大学学位论文创新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独立进行研究所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本论文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。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：讳卜日期：( ) D7 ，D 年；月夕日

20、西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页第1 章绪论1 1 问题的提出在企业生产力构成中，制造技术的作用一般占6 0 ，切削加工是机械制造技术的一个重要组成部分，占机械加工量的9 0 以上。在切削过程中，刀具与工件产生很大的摩擦，使切削力、切削热和工件变形增加，导致刀具磨损，同时也影响工件已加工表面的质量。传统的解决方法主要有两类：( 1 ) 加注切削液：是指在切削加工过程中用低压泵将切削液连续不断的输送到喷嘴，冲刷刀具和工件的加工部位，切削液经过回收后可反复使用。这种方法的特点是方便、易行，是传统机械加工中使用最普遍的一种方法。切削液供给方法分为浇注法、压力喷射法、喷雾法等，用较大压力和流量的

21、切削液覆盖切削区，以起到润滑、冷却、冲洗的目的。( 2 ) 自然冷却法：是指在切削过程中利用空气作为冷却介质，借此起到传导切削热，冷却刀具的作用。大多数常规切削都属于这一种，它忽略了刀具、工件变形等因素对零件成本的影响，同时刀具的切削效率没得到应有的发挥。在上述两种方法中，自然冷却法受自身条件的限制，使用范围很窄，而加注切削液是传统而广泛的切削加工冷却方法。1 1 1 切削液的作用切削液按油品化学成份分为非水溶性( 油基) 液和水溶性( 水基) 液两大类。近年来，为了满足日益发展的切削条件改善的需求，切削液的发展研究主要表现在水溶性液体领域。这是因为这类液体以水为基质，传热速度快( 水的传热速

22、度为油的2 5 倍左右) 。等量的水基切削液吸收的热量，比油基切削液多得多，因而提高了冷却效果，且可减少油雾，因此现在水基切削液的用量在逐渐增大，已占整个切削液市场的大半江山，并且，水基切削液取代油基切削液正在成为一种趋势。西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页在金属切削加工过程中，刀具的作用是在主剪切区域用强剪切力把加工材料从基体切除、剥落，生成切屑。加工时，刀具的推进面和暴露出来的新鲜金属面之间，由于强烈的附着作用受到极高的应力( 沿表面的摩擦应力和与表面垂直的压应力) ；同时，切割剥落的切屑需要逐步从刀具的推进面移除，形成了第二剪切区域；第二剪切区域产生的剪切作用，又使切屑与刀具之间形成

23、极大的摩擦力。此时，冷却液的作用非常重要，它一方面能够带走热量，另一方面也能增进润滑。切削液随所切削金属的机械加工种类及不同的工况，所起的作用也有所不同，但一般认为，在低速加工，如螺纹切削、扩孔、齿面切削或难加工材料切削时，切削液的主要任务是缩小推进面与切屑移除时的粘结，起边界润滑作用；而在高速切削加工时，切削液的主要作用是降低摩擦热，带走热量。但是，无论属于什么加工种类和处于何种工况，切削液都不外如下几个作用：( 1 ) 润滑作用切削液能在工件和刀具的接触面上形成化学附膜，避免金属间的直接接触，起到减少磨损、减轻粘结现象和抑制积屑瘤产生的作用。在金属切削过程中，在刀具切削刃和前刀面的作用下，

24、由于挤压产生剪切滑移变形，在切屑的形成过程中发生强烈的塑性变形和剧烈的摩擦，使切屑与前刀面、工件与后刀面实际接触表面之间产生极大的压力和极高的切削温度，即使是在大量使用切削液的条件下，也只能形成金属与金属的摩擦或边界润滑摩擦。切削中边界润滑摩擦是由于不连续润滑膜和固体的直接接触同时存在引起的，而润滑膜形成有赖于切削液与固体表面产生的物理吸附或化学反应以及切削液材料的分子结构。由化学反应形成的边界润滑最为稳定，其特性是具有很高的激活能和价键能以及反应的不可逆性。要增强化学反应的润滑膜，各种添加剂成为改善润滑性能的手段，而添加剂中又以含硫、磷、氯原子为主，这样就形成了一个很大的矛盾，即增强润滑的同

25、时又造成大量的环境污染。( 2 ) 冷却作用切削过程中所消耗的功，9 0 以上都转化为切削热，切削液能把切削热从切削区带走，对切削区、刀具和加工件起冷却作用，从而提高了刀具的耐用度和工件的加工精度。但不同的切削液，所起的作用也各不相同，通常只西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页能起到其中的1 - - 2 种作用，一般认为，切削油、乳化剂和水基切削油的润滑和防锈作用依次减弱，而冷却和清洗作用依次增强。对于水基切削液和乳化液来说，高浓度有利于润滑作用，而低浓度则有利于冷却作用。( 3 ) 清洗作用在切削过程中，切屑很容易堆积在切削区、粘附在工件和刀具上，造成切削堆积区的温度升高、刀具的二次磨损和

26、工件的划伤，对加工产生不利的影响，此时，如果利用切削液清洗和排屑的作用，将切屑冲出切削区，就能降低机床的温升，提高加T 质量和延长刀具寿命。( 4 ) 防锈作用切削油和含有添加剂的水基切削液能使切削液具有防锈的作用，使加工的金属零件，特别是黑色金属件不会生锈。1 1 2 滥用切削液存在的问题在金属切削加工过程中，与切削液相关的费用占整个加工费用的】5 3 0 ( 含废油处理费等) ，而刀具费用仅占8 。在能耗方面，切削液占加工中心总能耗的5 0 左右。这些足阻说明切削液对产品成本构成的重要影响，而不能仅仅视之为无足轻重的辅料。图1 1 为金属切削加工机床的成本构成统计比例【】I 、图b 2 为

27、加工中心的能耗统计比例口J 。图1 - I 金属切削加工机床的成本构成比例购五赴理营理设备西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页喷雾风机7 图1 - 2 加工中心的电力消耗事实上，切削液是被迫使用的，随着机床与刀具制造水平的提离，传统湿式加工滥用切削液的问题显得非常突出，具体表现在如下几个方面：( 1 ) 能耗高，制造成本增加由于切削过程大量使用切削液，N I 零件的成本将会提高。在零件加工的总成本中，切削液占用成本已超过刀具占用的成本；使用后的切削液和切屑需要进行处理，然后才能回收利用，增加了处理费用；并且，随着环保法规的健全，用于防止污染而增设的配套费用还将进一步增加。按照德国规定，氯含量

28、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 。切削油是不可再生资源，油价的上涨，正在成为一种趋势。( 2 ) 环境污染大切削液的大量使用，造成对环境的严重污染。油基切削液在高速或重载切削条件下，产生高温化学反应，释放有害气体和油雾，燃点和粘度越低，烟雾就越大，污染越重，且易燃，安全性差；切削液为提高冷却、润滑和防锈性能，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、防锈剂、防霉剂等，在使用中遇高温时会生产新的化合物，当未经处理

29、的切削废液排入江河湖泊中，危害极为严重，如硝酸盐类化合物可以使人体中毒；磷酸盐类化合物会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。西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页( 3 ) 影响工人的身体健康切削液影响工人身体健康的主要原因是，切削液所含的基础油和各种加剂对人体是有害的。这些物质对健康的危害主要有：致癌切削液所含的离密度矿物油( 相对密度大于O 9 ) 属高芳烃含量的矿物油，易被乳化，但其中的多环芳烃( P C A H ) 是致癌成分。亚硝酸钠和三乙醇胺曾被广泛用于乳化液中，是有效的防锈剂，因亚硝基二乙醇胺被证实为致

30、癌物质，这些物质7 0 年代在有国家就已被禁止使用。油疹由于皮肤接触切削液中的油、菌类和金属屑而产生的油疹，是最常见的皮肤病。毛囊炎毛囊炎是由于皮肤汗毛囊管受到油及外来物刺激所致，主要发生在手臂。( 4 ) 不利于对加工区的观察、检测和监控切削过程中，有时需要对切削区刀具、工件或机床的运行情况进行必要的观察、检测和监控，而大量油剂的喷淋、飞溅对这种操作非常不利。( 5 ) 水基切削液变质发臭腐蚀机床切削液腐蚀机床，其中的大量细菌新陈代谢释放出S 0 2 ，有臭鸡蛋味，当液体中细菌大于某个标准时，切削液就会变臭。( 7 ) 存在混油隐患机床循环润滑油中混入切削液造成机床故障的现象较为多见，一旦发

31、生，必须对机床循环润滑系统进行油料更换和清洗，影响生产、浪费资源。切削液由于在环保方面体现出来的问题，使得这种传统的加工方式不能适应新世纪的要求。为了改善机械加工环境，国际机械学会于1 9 9 6 年4 月2 4 日在德国斯图加特召开了第八次年会，并制定了清洁加工的I S 0 1 4 0 0 0 国际标准。德国、美国、力口拿大和日本等国相继制定了更加严格的工业排放标准，进一步限制了切削液的使用。美国劳动和保健国家机构( N I O S H ) 严格规定了切削液雾中油的浓度标准，极限水平由过去的5 m g m 3 降低为O 5 m g m 3 ，对机械加工各工序操作工的工作条件进行严格的环保检查

32、。切削西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页液的排放和带有切削液的固体物被当作有毒材料进行处理，大大增加了切削液供给、保养和回收处理费用，其中与切削液有关的费用中回收费用占2 2 。在环保呼声越来越高的今天，清洁加工成为了人们的共识。因此，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

33、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需要，更是经济性的必然要求。1 1 3 传统切削液浇注方式不能获得最佳冷却效果研究发现，传统的切削液浇注方式在丁作时，切削液主要作用在切屑、工件和刀体上，而最需要冷却和润滑的地方，刀刃与工件、刀刃与切屑的结合部则由于膜态沸腾的原因并没有得到很好的冷却和润滑。重庆大学的杨颖博士已有研究证吲副：( 1 ) 实验所用水基切削液的临界热流密度在3 8 0 K W m 2 5 5 K W m 2 之间，水的临界热流密度在8 6 5 K W m 2 ，水基切削液的临界热流密度远小于纯水的临界热流密度，说明水基切削液冷却效果低于纯水。( 2 ) 实验所

34、用水基切削液的工作温度在2 0 8 0 之间，溶液的饱和温度在9 0 1 0 0 之间，当环境温度最高大于1 3 0 1 7 0 时，溶液将发生膜态沸腾。( 3 ) 一般情况下，机械D n - r - 的切削区温度远大于实验所用水基切削液的膜态沸腾温度，切削液与切削区接触时发生膜态沸腾，不能实现有效的冷却。在传统的习惯中，一般将冷却效果与切削液的用量视为正比关系，因此，浇注法在很大程度上是这种思维的体现。在实际的使用过程中，当切削液的冷却效果并不如预期的好，往往加大切削液的使用量，其结果不仅不能解决冷却的问题，反而带来污染加剧的后果。西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页由于在切削区大量切削热

35、的产生使切削点的温度很高，切肖U 液在受热后其沸腾状态严重影响着其冷却效果。当切削液发生膜态沸腾时，与工件和刀具表面接触的是切削液汽化后形成的汽膜，切削热必须穿过热阻较大的汽膜，导致换热系数下降，因而起不到良好的冷却作用，如图1 - 3 所示。显然，当切削状况导致切削液发生沸腾的极限条件时，切削液的冷却作用则大幅降低，其膜态沸腾临界值的大小决定了冷却性能的好坏。门图1 3 切削液加注时产生的膜态沸腾现象显然，目前改善冷却条件大流量使用冷却液的措施是不科学的。美国密执安工艺大学的研究发现，“当切削速度达到v c = 1 3 0 m r n i n 以上时，如果向切削区大量加注冷却剂，会出现加注过

36、程没有连续性和切削点冷冷却不均的现象，刀具的刃尖会产生不规则的冷热交替变化，形成热冲击，这对刀具的使用非常有害”。也就是说，大量使用切削剂并没有起到连续而有效的冷却和润滑作用_ 4 J ，加上冷却液成份中无法根本消除污染源的双重限制，可以认为，今后在金属切削加工冷却条件未来的发展中，即使是水基切削液也都不可能成为主导。因此，研究新的冷却条件，寻找代替切削液切削的新方法，就成为倍受国内外相关人士关注的重要课题。1 2 绿色切削加工技术环境、资源、人口是当今社会面临的三大主要问韪。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

37、路。进入2 1 世纪，在制造业实施绿色制造己势在必行。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，绿色切削加工拄术应运面生。西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页绿色切削加工技术是指：对生态环境和小加工现场都无副作用或作用很小，加工过程中产生的少量的三废( 废气、废液和废渣) 在链条末端可回收或自然降低，达到无公害的环保要求，对人和环境无害化的绿色环保切削。绿色切削加工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。目前国内外对绿色切削的研究主要集中在高速干式切削、半干式切削、绿色湿式切削等几个方面。1 2

38、1 高速干式切削高速切削技术是指采用超硬材料工具，利用能可靠地实现高速运动的高精度、高自动化和高柔性的制造设备，以提高切削速度来达到提高材料切除率、加工精度和加工质量的现今加工技术。堇警豢S哆切旁H 激y ( m m i n )图1 - 4 切削速度变化和切削温度的关系( 萨洛蒙曲线)德国的切削物理学家萨洛蒙博士于1 9 2 9 年进行了超高速模拟切削实验。1 9 3 1 年4 月发表了著名的超高速切削理论，并在德国申请了专利。萨洛蒙根据实验，提出了两个令人感兴趣的假设。他指出( 见图1 4 ) ：在常规的切削速度范围( 图中的A 区) 内，切削温度随着切削速度的增大而提高。但是，当切削速度增

39、大到某一数值后，切削速度再增大，切削温度反而下降，并西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页指出，v 。之值与工件材料的种类有关【5 】。对于每一种工件材料，存在一个从v ，到也的速度范围，在这个速度范围内( 图中的B 区) ，由于切削温度太高( 高于刀具材料允许的最高温度t o ) ，任何刀具都无法承受，切削加工不可能进行。这个范围被称为“死谷 ( D e a d V a l l e y ) 。高速干式切削速度范围在C 区，在这个区域，切削温度随着切削速度的增大而减小，同时9 5 - 9 8 以上的切削热来不及传给工件，被切屑飞速带走，因此不再需要冷却介质的作用就能高速高效的进行切削加工。高速

40、切削理论从假设到现实的早期研究代表人物是美国的沃汉工程师( R L V a u g h a n ) 。沃汉和他的研究小组得出的主要研究成果有以下三个方耐5 1 。( 1 ) 高速切削方面的结论在超高速条件下，高强度材料可以切削，切削速度可高达7 3 0 0 0 m m i n ；高速钢刀具可在这一速度下切削高强度材料；加工合金材料的脆性失效现象高速下并没有发生。高速下实验结果和通常的加工曲线计算的结果不一样：超高速切削可提高工件的表面质量；高速切削的金属加工切除率可高达普通切削的2 4 0 倍。( 2 ) 在刀具磨损方面的结论在切削速度达到5 0 0 m m i n ，切削经过热处理的材料时，

41、刀具的磨损最小；切削速度变化对退火钢的加工影响不大；在切削速度从9 1 4 4 m m i n 增加到4 5 7 0 0 m m i n 时，每切除单位金属的刀具磨损量下降7 5 - 9 5 ；切削铝合金的速度达到3 5 5 0 0 m m m 时，没有测量到刀具磨损；刀具的磨损形式和加工的材料以及材料的热处理方法有关。( 3 ) 在切削力方面的结论水平力和垂直力虽然比理论值大，但是仍在可控制的范围内；在大多数情况下，垂直力比水平力大，这和理论分析的结果相反；峰值切削力只增加了3 3 - 7 0 ，而不是预计的5 0 0 ，而且使用的平均力还会减小；在高速切削下，剪切角增加而导致剪切力减小。高

42、速干式切削完全消除切削液的负面影响，同时可以高效的切除材料，是一种理想的绿色切削加工方式，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。西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页由于切削速度的大幅提高，最明显的效益是提高了切削加工的生产率。同时由于切削条件的改变，和常规切削比，高速干式切削具有下列优点：( 1 ) 随切削速度的大幅度提高，进给速度也相应提高5 1 0 倍。这样，单位时间内的材料切除率可大大增加，可达到常规切削的3 - 6 倍，甚至更高。同时机床快速空程速度的大幅度提高，也大大减少了非切削的空行程时间，从而极大地提高了机床的生产率。( 2 ) 在切削速度达

43、到一定值后，切削力可降低3 0 以上，尤其是径向切削力的大幅度减少，特别有利于提高薄壁细肋等刚性差零件的高速精密加工。( 3 ) 在高速切削时，9 5 - 9 8 以上的切削热来不及传给工件，被切屑飞速带走，工件可基本上保持冷态，因而特别适合于加工容易热变形的零件。( 4 ) 高速切削时，机床的激振频率特别高，它远远离开了“机床一刀具一工件”工艺系统的固有频率范围，工作平稳、振动小，因而能加工出非常精密、非常光洁的零件，零件经高速车、铣加工的表面质量常可达到磨削的水平，残留在工件表面上的应力也很小，故常省去铣削后的精加工工序。( 5 ) 形成的切屑干净、清洁、无污染，易于回收和处理。( 6 )

44、 省去了与切削液有关的传输、过滤、回收等装置以及费用，简化了生产系统，节约了生产成本。( 7 ) 节省了与切削液与切屑处理有关的费用。当然，高速切削加工也有其自身的局限性。例如切削加工大部分铝合金时，切削速度的提高不受刀具耐用度的限制；但是在切削加工一些难加工材料时( 如超耐热不锈钢、钛合金、高强韧高硬度合金钢等) ，切削速度的提高仍会受到刀具急剧磨损的限制。同时切屑因较高的热塑性而难以折断和控制，切屑的收集和排除较为困难。就目前来看，高速干式切削加工的范围还较为有限，主要集中在铝合金切削加工上。在一些难加工材料还是难以实现高速加工。西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页1 2 2 半干式切

45、削半干式切削法是用气体加微量无害油剂代替切削液降温、润滑、排屑作用的切削方式。常见的有：M Q L ( 微量润滑) 切削、超低温冷却切削和低温冷风切削。1 2 2 1M Q L ( 微量润滑) 切削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 ) 又称极微量润滑技术，它是将极微量的切削油与具有一定压力的压缩空气混合并雾化，喷射至切削区，对刀具与切屑和刀具与工件的接触界面进行有效润滑，以减少摩擦和防止切屑粘到刀具上，同时也冷却了加工区( 油雾在加工区汽化会吸收大量切削热) 并有利于排屑，从而显著地改善切削加工条件。M Q L

46、技术所使用的润滑液用量非常少，通常为2 - 3 0 m l h ，仅为传统湿切削加工切削液用量的几万分之一1 6 】。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，清洁和干净的切屑经过压缩还可以回收使用，并不污染环境，故又称之为准干式切削( N e a r d r yC u t t i n g ) ，M Q L 不仅可以大大降低冷却液成本，保护工人和环境，同时还可以改善刀具寿命和工件表面粗糙度。它较适宜于铸铁及铝的加工【_ ”。当冷却润滑剂形成雾化颗粒时，在相变和强制对流换热的双重作用下，可以大大提高其散热能力，据文献1 8 J 介绍，1 6 c n l

47、3 的雾化冷却润滑剂在相同时间内吸收的热量是同体积液体浇注冷却润滑的1 0 0 0 倍。因此利用气流混合雾化的切削液颗粒是一种效果较好的半干式切削。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，通过实验取得最适当的切削液用量，形成“微量润滑”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 m i n l 9 J

48、 。西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页美国T h y s s e n K r u p p 金属切削集团C r o s s H u l l e r 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 秒内可钻削1 0 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，切屑中冷却液含量大大减少，因此处理费用大幅降低l l0 。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，在未来两三年内德国制造的加工中心中将有5 用M Q L 与润滑性涂层

49、刀具相结合来取代浇注式冷却I l 。采用M Q L 润滑的准干式切削，除了需要油气混合装置和确定最佳切削油量外，还要解决一个关键技术问题，就是如何保证极微量的切削油顺利送入切削区。最简单的办法是从外部将油气混合物喷向切削区，但这种外喷法有时并不很有效，比如加工较深的孔。更有效的办法是让油气混合物经过机床主轴和工具中间的通道喷向切削区，称为内喷法。内喷法按照切削油和压缩空气在进入机床主轴之前混合还是在进入之后混合，又进一步分为外部混合式和内部混合式。1 2 2 2 超低温切削机械材料的切削加工性能与其机械性能密切相关，而材料的机械性能往往随温度变化而不同。当温度升高时，材料的硬度下降、强度降低；

50、温度降低时，材料变脆，塑性减小；在温度降低时，无明显塑性变形而产生脆性断裂的突变现象称之为“冷脆，某些金属则存在明显的冷脆现象。金属在低温下产生脆性断裂的倾向与其晶体结构有关系l l2 1 。晶格为体心立方的金属随着温度下降会有脆性断裂的倾向( 如碳钢、钼、铌等) ，而晶格为面心立方的金属在这种条件下则不变脆( 如钢、镍、铝、高镍奥氏体钢) 。一些晶格为密排六方的金属在低温下可能变脆( 如锌，尽管锆和纯钛在这种条件下仍保持有延展性) 。超低温切削是利用超低温流体如液态氮、液态二氧化碳等喷向加工系统的切削区域，造成切削区的局部低温或超低温状态，利用工件在低温条件下产生的低温脆性，提高工件的切削加

51、工性、刀具寿命和工件表面质量。对于一些难加工材料，如钛合金、低合金钢、低碳软钢以及些塑韧性特别强的西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页复合材料采用这种方法能降低延伸率，增加脆性，有助于形成良好的加工状j cJ t 孙。液氮冷却切削主要有两种应用形式，一种是利用瓶装压力将液氮像切削液一样直接喷射到切削区；另一种是利用液氮受热蒸发循环来间接冷却刀具或工件1 1 引。氮气是大气中含量最多的成分，氮气作为制氧工业的副产品，资源十分丰富，由于液氮使用后直接挥发成气体返回大气中，因此不会留下任何污染。由E B a r t l e 1 4 J 等人实验用液体C 0 2 喷液进行冷却，原理如图1 5 所

52、示。将泵内液压为5 9 5 - 6 3 M P a 的液态C 0 2 作为冷却剂使用，用喷管将液态C 0 2直接吹到切削点，其喷管直径与车刀有关，在。0 2 2 8 t 0 3 8 1 m m 范围内，喷管吹点距刀尖9 1 2 m m 。刀具材料为钨钻系列的硬质合金，经过实验，其切削效果提高2 倍以上。lIIL - 一图1 5 液体C 0 2 冷却切削美国怀特州立大学S Y H o n g 博士等人，在解决了液氮从贮藏罐到切削区流动过程中的液氮挥发问题后，对车削加工进行了研究，他对某些刀具材料的超低温下的切削性能实验结果表明，在液氮冷却加工状态下，硬质合金材料能保持其抗弯强度、断裂韧性和耐冲击

53、强度，其硬度随温度的降低而增大，因此硬质合金刀具材料在液氮冷却中能够保持优良的切削性能【1 5 】。美国哥伦比亚大学的W o o C h e o lJ e o n g 博士对液氮在机械切削中的润滑性能作了进一步研究。通过对低碳钢A I S l l 0 0 8 、钛合金T i 6 A L 4 V 、不锈钢A I S l 3 0 4 和高碳钢A I S l l 0 1 7 等材料的切削研究，从切削力、刀具磨损、切屑西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页显微结构和摩擦效率几方面证明液氮切削下有良好的断屑性和刀具寿命延长的优势l l 引。磨削加工时常常会因磨削区高温对工件表面造成烧伤、微裂纹等热损伤

54、，印度工学院S P a u l 对使用液氮的超低温磨削在五种常用钢材上作了实验，结果表明，合理使用液氮能有效地控制磨削区的温度，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【l7 | 。林肯大学的Z Y W a n g 在聚晶立方氮化硼刀具上部的方盒内储存液氮，由进口输入，从出口流出，以此种方式进行陶瓷氮化硅车削实验。实验结果均表明，在这种超低温j 口q - 状态下，刀具材料能够保持良好的切削性能，提高了刀具寿命，保证了切削效率和n q - 质量l l 引。超低温加工必须根据加工对象和加工刀具的特性设定最佳加工温度，控制低温流体的喷射量，

55、使特定的封闭式加工区的温度达到设定的加工温度。因此材料的物理和机械性能的不同决定了其加工工艺的特殊性。低温脆性好的材料采用超低温切削加工优势明显而且也才能节约成本。超低温切削技术实现难度大、成本高，应用范围不广，具体存在以下问题：1 液氮作为切削液直接使用是一种有效果而且环保的加工方式，但其经济性受生产现场条件的制约，运输、储存等附加成本有可能增加；2 液氮冷却加工中的润滑性不够；3 用超低温切削加工出来的工件表面具有极强的化学活性，暴露在空气中会很快生锈，需要防锈剂来防止工件和机床生锈【1 9 】。1 2 2 3 低温冷风切削低温冷风切削法是通过向刀尖的加工部位喷2 0 - - 3 0 +

56、( 甚至更低) 的压缩低温气流，并混入微量的植物性润滑剂( 每小时l O - - 一2 0 m 1 ) ，从而起到降温、排屑、润滑的作用。低温冷风切削技术是近年来新兴起来的一种绿色切削技术，是M Q L 切削技术的继承与发展，与传统切削相比，除了具有M Q L 切削的所有特点外，还能够提高加工效率，延长刀具寿命，改善工件西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页表面质量，而且对环境几乎无污染。正是由于冷风切削技术具备众多的优点于一身而备受行业内相关研究人员的关注。切削点低温化，不仅使工件材料局部冷脆，有利于切屑的剪切断裂和降低切削负荷，同时也防止了刀具自身的扩散磨损、相变磨损和粘结磨损，微量油雾

57、润滑降低了刀具与工件、刀具与切屑间的摩擦力，使刀具寿命得到延长。低温冷风切削法尤其适合钛、镁、钼、高硅铝合金、不锈钢等难切削材料和薄壁材料的加工。1 9 9 6 年，日本横川技术士研究所、工学院大学的横川和彦教授、横川宗彦副教授等人对低温冷风切削加工技术的研究获得成功。研究表明：在金属切削过程中，如果只给加工点提供非常微量、润滑效果良好且未被氧化的植物油，加工点会因高温而丧失润滑性，使刀具很快磨损。如果加工时提供低温冷风，加工点的高温化就可得到缓解，达到延缓刀具磨损的目的。如果在给加工点提供低温冷风的同时，再加上润滑效果良好且未被氧化的微量植物油，不仅加工点的高温化可得到缓解，而且刀具的润滑性

58、也可得到保证。实验证明，采用低温冷风切削时，车刀的寿命可以延长两倍以上。采用不同切削方法时的切削寿命对比见图1 - 6 2 U J 。予式车削油剂车削M Q L 车削低温冷风车削l西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页1 勿需作加工尺寸补偿在使用油剂切削时，由于油剂温度高，工件受油温的影响会发生膨胀，加工时往往需要进行尺寸补偿。使用低温冷风切削工艺后，由于采用稳定的低温冷风，大大减少了工件的热变形，因此，勿需进行加工尺寸补偿。2 有利于提高加工精度研究表明，冷风可以使加工点的温升低于6 0 ，工件加工界面残留应力趋于零，对提高加工精度具有重要意义。3 提高刀具寿命实验表明：在同一台机床上使用

59、相同材料的车刀进行切削，分别用+ 1 0、5 、1 0 、2 0 、3 0 的冷风冷却切削点，实验结果大为不同：以横刃面磨损至0 1 m m 为限，在风温为+ 1 0 时切削长度为1 4 0 m ；风温为5时切削长度为3 3 0 m ；风温为一1 0 时切削长度为7 6 0 m ，风温为2 0 时切削长度为1 2 2 0 m ，风温为2 3 0 时切削长度高达1 4 0 0 m 。从实验结果可知，采用低温冷风切削可明显提高刀具的使用寿命。4 提高加工效率在使用油剂切削时，为了防止油雾扩散和油沫飞溅，加工时需要使用护罩，高速切削机床还设有全密封护罩。护罩的使用阻碍了上下工件，增加了频繁开启时间。

60、采用低温冷风切削可解决这个问题，明显提高j n - r 效率。此外，刀具寿命的延长也提高了机床的加工效率。除此之外，由于机床不再使用切削油，因此，可以直接观察加工状态，有利于操作；可以节约机床切削油循环系统、油雾分离装置等的制造费用，降低机床制造成本；可以节约机床切削油循环系统占用的车间面积，降低零件加工成本；同时，更有利于难切削材料的加工。1 2 3 新型安全的绿色切削液近年来采用水溶性切削液取代油性切削液取得了很大成功，它具有导热系数大、冷却性能优于切削油、防火、经济等优点，但在减少刀具磨损方面不如油性切削液好。西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页水基切削液中，乳化液是矿物油加入乳化