低温冷风在绿色加工中应用的若干问题研究

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在机加工中,由于油类切削液对环境的污染和人体的伤害,其使用受到越来越多的限制,绿色切削加工技术成为一种发展趋势。本文在分析这种绿色加工技术的国内外现状和特点基础上,对低温冷风切削技术作了系统的研究。首先针对水基切削液取代油基切削液冷却方式的可行性进行了研究,采用沸腾传热的方法,通过实验获得了水基切削液的膜态沸腾临界热流密度和临界过热度。首次定量分析和确定出水基切削液发生膜态沸腾的工作温度范围在130℃~170℃,其极限热流密度低于水的临界热流密度。水基类切削液在膜态沸腾下冷却失效不能对切削加工中的切削区域起到良好的冷却效果,更先进的冷却技术是采用冷风射流代替切削液。本文将制冷技术与机械制造技术相结合,利用人工制冷获得的-35℃干燥空气,以射流冷却切削的方式,实现了该技术在车削中的实验应用。为探讨低温空气的冷却润滑机理,运用数值计算和实验研究相结合的方法,通过对切削温度、切削力、刀具磨损、断屑等系统实验研究,分析了低温冷风增强车削过程的冷却润滑性能和改善加工质量的特征和机理。获得如下结果:利用数值计算方法计算了三维刀具温度场,获得了冷风射流下切削区温度的分布,分析了冷却效果与冷风的温度、冷风的压力和冷风射流角度的关系,并通过实验得到验证;冷风射流在冷却、刀具磨损、断屑效果和工件表面粗糙度方面的实验显示,冷风射流的角度不同,其影响是不相同的,通过对5种射流角度的实验,获得最佳射流角度;切削力的试验结果显示冷风射流对主切削力无大的影响。因此冷风射流的润滑性不是通过传统意义上的减小摩擦的方式体现的,而是以降低工件材料与刀具的塑性和增大材料与刀具的强度而减少刀具磨损来体现的;通过冷风切削和干切削的对比研究,证实冷风降低了刀具的表面塑性和切削温度,从而减少前刀面和后刀面的磨损,增加刀具的寿命;冷风能降低材料塑性,改善材料断屑效果,影响切屑出流,实验范围冷风射流的温度和压力并未导致材料冷脆现象的发生,冷风压力和射流角度对断屑效果的影响很大,在实验基础上首次获得保证加工质量前提下合理的冷风参数;冷风射流能有效地抑制已加工表面的积屑瘤和鳞刺,降低工件表面的粗糙度,<WP=6>使切削质量得到提高.由于冷风射流降低了切削区温度,减少了刀具的磨损,增强了断屑效果,降低了工件表面的粗糙度,因此冷风射流能取代切削液而成为良好的冷却润滑剂,冷风射流切削技术作为清洁、有效的切削方式有很大的发展前途。
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