发表于：2010/6/7 16:00:45
#0楼
新型低温MQL装置的研制与难加工材料低温高速切削机理研究
来源：刀网
摘 要
难加工材料在航空航天工业、兵器工业、化学工业及电子工业中有着广泛的应用。 但刀具的快速磨损是制约难加工材料加工效率提高的瓶颈， 而低温 MQL切削技术是在目前已有的工艺基础上能进一步提高难加工材料加工效率的有效途径之一。本文针对低温 MQL切削的关键技术，以及其在难加工材料加工中的应用等问题进行探索性研究。主要研究工作包括：
1. 采用复合制冷方法研制了一种新型低温 MQL 装置，并对其进行了较为全面的性能测试。结果表明，该装置具有制冷速度快、负荷可调性强、调节响应能力好、可靠性高、易于实现冷风温度的连续调节和精确控制等优点，为低温 MQL切削技术的研究与应用提供了一种新的有效手段。
2. 通过不同冷却润滑条件下钛合金高速切削时的切削温度、切削力、及刀具前刀面摩擦状况的对比试验分析，研究了低温 MQL 的冷却润滑作用，发现了低温 MQL 在高速切削中的冷却润滑作用机理：低温 MQL 对切削区良好降温效果减少了润滑油因切削高温而蒸发，且益于润滑膜强度的保持，进而提高了润滑油的润滑效果。
3. 通过镍基高温合金的高速车削试验，研究了冷却润滑条件对刀具磨损、表面粗糙度和切屑形态的影响;分析了低温 MQL 条件下高速车削镍基高温合金的刀具磨损机理，探讨了低温 MQL 对镍基高温合金高速车削切屑形态的影响作用机理。
4. 分析了低温 MQL 条件下硬质合金刀具高速铣削钛合金的刀具磨损、破损机理，指出刀具磨损机理主要为粘结磨损和扩散磨损，破损机理主要为热裂破损;低温 MQL 改善了摩擦接触状态，抑制了粘结磨损和扩散磨损，其润滑作用是延长高速铣削钛合金刀具寿命的主要原因; 研究了高速铣削钛合金时刀具的热裂破损， 发现湿式切削由于热疲劳引起热裂纹以很快的速度形成与扩展，刀具在铣削初期便发生严重的热裂破损而失效，而低温 MQL 条件下刀具虽然也会出现热裂纹，但一般不会因热裂纹导致刀具的早期破损。
关键词
低温 MQL，难加工材料，高速切削，冷却润滑，磨损机理
第一章 绪 论
1.1 课题研究背景与意义
制造业是创造人类财富的支柱产业，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。如何有效减少制造业的资源消耗和环境污染已成为21世纪制造科学面临的重大问题。在此背景下，绿色制造应运而生，它是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、 运输、 使用到报废处理的整个产品生命周期中， 对环境的影响 (副作用) 最小，资源效率最高。合理利用制造资源、废弃物少、环境污染小、可进行良性循环的‘绿色制造’技术是实现社会可持续发展战略的决定性的因素与必由之路，将成为21 世纪制造领域的主要发展趋势。在绿色制造的体系结构中,实现清洁化的制造加工过程是其核心内容之一。而切削加工是机械制造技术的一个重要组成部分，占机械加工总量的 90%以上，因此，必须重点研究切削加工过程的清洁化问题。
21 世纪，机械制造业面临市场需求动态多变、产品更新周期短、批量减少等特点，由此要求制造企业必须对市场现有需求和潜在需求作出快速响应，具备性能优良、价格低廉的产品和交货迅速的制造能力。这将驱使制造加工技术朝着快速、低消耗和优质高精度的方向发展。高速切削技术是近年来发展起来的一种先进制造技术。与常规切削相比，高速切削的主要优点有：(1) 单位时间内材料的去除率高，大幅度提高加工效率，降低加工成本;(2) 切削力平均可减少 30%以上，从而可减少零件加工中的变形，特别有利于对刚性较差和薄壁零件的切削加工;(3) 高速切削时，大量切削热来不及传给工件即被切屑带走，传给工件的热量较少，有利于减少加工零件的内应力和热变形，提高加工精度;(4) 高速切削加工可大大降低加工表面粗糙度。由于高速切削加工具有这些突出优点，已在航空、汽车、模具等制造业中广泛应用，取得了重大经济效益。高速切削加工是切削加工发展的方向，在 21 世纪必将成为切削加工的主流。
在高速切削时，切削区产生很高的切削温度会使刀具急剧磨损，这一问题在难加工材料中更为突出，其已成为钛合金、镍基高温合金等难加工材料高速切削的技术颈。因此，在高速切削加工中，实施冷却润滑抑制刀具磨损是很有必要的。切削液在切削加工中起到降低切削区温度、提高刀具耐用度和减少工件热变形等重要作用，因此得到了广泛的应用。随着高速加工技术的发展，切削液的使用量大量增长。大量使用切削液会带来许多负面问题：(1) 零件的制造成本大幅度提高。据德国对汽车行业的调查，在工件总的加工成本中，切削液的费用占到 7%～17%，而刀具成本仅占 2%～4%。(2) 造成对环境的严重污染。切削液的大量使用会污染工作环境，工作区弥漫着较大的异味;如把未经处理的切削废液排入江河湖泊，会污染土地、水源和空气，严重影响动植物的生长，破坏生态环境。(3) 危害工人的身体健康。在切削过程中，切削液受热挥发形成烟雾，会引起工人呼吸道和肺部的诸多疾病。切削液与人体的直接接触，会诱发多种皮肤病，直接影响工人身体健康。随着社会环境保护和可持续发展意识的提高，世界许多国家制定了严格的工业排放标准，限制了切削液的使用。减少切削液给环境带来的污染，探索新的机加工冷却润滑方法势在必行。 环境保护和高速切削都是二十一世纪极重要的发展领域和技术方向，关系到我国的基本国策，也关系到国民经济的持续高速发展。从优质、高效、经济以及环保的角度出发，本课题提出研制一种新型低温MQL装置，并开展难加工材料的低温高速切削机理研究，旨在通过高效切削技术与绿色加工有机结合达到有效提高难加工材料的加工效率和加工质量的目的。本课题获得了国家自然科学基金资助 (编号：50175051)。
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新型低温MQL装置的研制与难加工材料低温高速切削机理研究
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难加工材料在航空航天工业、兵器工业、化学工业及电子工业中有着广泛的应用。 但刀具的快速磨损是制约难加工材料加工效率提高的瓶颈， 而低温 MQL切削技术是在目前已有的工艺基础上能进一步提高难加工材料加工效率的有效途径之一。本文针对低温 MQL切削的关键技术，以及其在难加工材料加工中的应用等问题进行探索性研究。主要研究工作包括：
1. 采用复合制冷方法研制了一种新型低温 MQL 装置，并对其进行了较为全面的性能测试。结果表明，该装置具有制冷速度快、负荷可调性强、调节响应能力好、可靠性高、易于实现冷风温度的连续调节和精确控制等优点，为低温 MQL切削技术的研究与应用提供了一种新的有效手段。
2. 通过不同冷却润滑条件下钛合金高速切削时的切削温度、切削力、及刀具前刀面摩擦状况的对比试验分析，研究了低温 MQL 的冷却润滑作用，发现了低温 MQL 在高速切削中的冷却润滑作用机理：低温 MQL 对切削区良好降温效果减少了润滑油因切削高温而蒸发，且益于润滑膜强度的保持，进而提高了润滑油的润滑效果。
3. 通过镍基高温合金的高速车削试验，研究了冷却润滑条件对刀具磨损、表面粗糙度和切屑形态的影响;分析了低温 MQL 条件下高速车削镍基高温合金的刀具磨损机理，探讨了低温 MQL 对镍基高温合金高速车削切屑形态的影响作用机理。
4. 分析了低温 MQL 条件下硬质合金刀具高速铣削钛合金的刀具磨损、破损机理，指出刀具磨损机理主要为粘结磨损和扩散磨损，破损机理主要为热裂破损;低温 MQL 改善了摩擦接触状态，抑制了粘结磨损和扩散磨损，其润滑作用是延长高速铣削钛合金刀具寿命的主要原因; 研究了高速铣削钛合金时刀具的热裂破损， 发现湿式切削由于热疲劳引起热裂纹以很快的速度形成与扩展，刀具在铣削初期便发生严重的热裂破损而失效，而低温 MQL 条件下刀具虽然也会出现热裂纹，但一般不会因热裂纹导致刀具的早期破损。
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