难加工材料微量润滑及低温辅助切削加工技术研究
科技成果——难加工材料的切削工艺优化
科技成果——难加工材料的切削工艺优化
成果简介
解决奥氏体不锈钢、高强度钢和超高强度钢、钛合金及镍基合金的切削加工难题，优化加工工艺方案，包括刀具的结构与参数优选，切削参数的选择与优化，工艺路线的确定，冷却润滑方案的制定等，提高加工效率与经济效益。
主要内容包括：
（1）刀具的选型及结构优化
根据被加工材料的物理力学特性，选择合理的刀具材料及结构，进行下列工作：
①不同涂层材料切削仿真对比；
②不同刀具角度的切削仿真对比；
③不同刃型的切削仿真对比。
切削过程仿真
主要考察直线刃、圆弧刃、倒棱、修光刃等单一刃型及复合刃型对切削结果的影响规律。
分析对比不同情况下的切削力、切削温度、切屑变形和排屑，残余应力及刀具磨损情况，给出结果。
达到减少切
削力，降低切削温度，减少刀具磨损，提高刀具使用寿命的目标。
（2）切削参数的选择与优化
在确定刀具材料及参数的情况下，进行切削参数的优化选择。
分别对难加工材料的车、铣、钻等工艺参数进行优化。
通过切削仿真，考察切削力、切削温度、排屑及残余应力等情况。
在优化切削参数的基础上合理编制工艺路线，确定粗加工、半精加工、精加工的切削参数。
目标：减少刀具磨损，提高加工效率和经济效益。
（3）毛刺产生的分析、抑制与去除
对切削过程中的毛刺产生进行了分析并提出相应的控制措施。
确定毛刺形成及变化的临界切削参数，对毛刺形成产生影响的切削用量的选择顺序。
通过调整刀具几何参数和结构、优选切削用量等方法来抑制和减少毛刺的产生。
通过超声磨料射流的方法去除小孔毛刺，提高加工精度。
毛刺去除仿真。
难加工材料超声辅助切削加工技术
难加工材料超声辅助切削加工技术高性能合金(如高温合金、钛合金、高强度钢等)、复合材料、硬脆材料(如光学玻璃、工程陶瓷和功能晶体)等先进材料具有优异的性能,在航空、航天、军工、电子和汽车等领域得到越来越广泛的应用。
复合材料具有密度低、比强度和比模量高、可设计性强、耐腐蚀性能好、抗疲劳性能好和结构尺寸稳定性好等优点,在航空航天领域主要用于制造如机翼、尾舵、刹车盘、制动鼓、仪器舱段、支架等复杂结构件和零件。
这些经过成型制备的复合材料结构件和零件上,许多连接装配和附件安装用的孔、窗口、型腔和安装定位面等需要进行精密机械加工。
航空航天领域典型的复合材料和硬脆材料结构件和零件如图1 所示。
这些结构件和零件不仅对加工精度和加工质量要求高,而且对加工效率也有很高要求。
由于这些复合材料硬脆材料具有硬度高、脆性大和耐磨性好等特点,材料切削加工性差,零件加工要求高,很难用传统机械加工方法和加工工具进行加工。
因此,如何实现难加工材料零件的高质高效精密加工已成为当前国内外关注的课题。
为了适应各种先进材料不断扩大的应用需求,一方面,传统机械加工技术通过自身的不断更新发展以及与其他相关技术的融合,在一些难加工材料加工领域( 尤其在加工、铝合金和钛合金结构件加工等)表现出了加工精度和加工效率方面的优势。
另一方面,利用光、电、声、热、化学、磁和原子能等能量进行加工的特种加工方法(包括、超声、、电化学、高压水切割等)得到了较快的发展,在一些高性能合金和硬脆材料等难加工材料加工领域显示出一定的优越性。
但是,无论是传统机械加工,还是特种加工方法,多数是直接利用单一能量进行加工,在加工效率、精度、表面质量和工具寿命等方面必然存在一定缺点和局限。
于是,利用多种形式能量的综合作用的复合加工技术出现了。
复合加工技术可以根据加工材料特性以及加工精度和效率的要求,通过传统加工和特种加工方法的复合,不同特种加工方法的复合等多种形式组合出各具特点的新的复合加工方法,达到优势互补,成为机械加工技术的重要发展方向之一。
难加工材料切削研究
加工 性 ， 选择 台理 的切削条件 ， 采用 台适 的切具材
料 、 理 的 刀 具 几 何 参 数 和 切 削 用 量 ， 解 决 难 切 台 来
削问题 ．
不锈 钢 、 温台金 等属 于此 类材料 ， 高 这类 材料
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第２ ６卷 第 １ 期
２０ ０ ２年 ２月
武汉理 大学学报 吾 裂 ） （ 差
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淬 火钢 、 冷硬 铸 铁及 耐 磨 台金 铸 铁 等属 于此
类 材 料 ． 类 材 料 的 主 要 特 点 是 硬 度 高 、 性 几 乎 这 塑 为 零 ， 硬 度 在 ５ ～ ７ Ｃ 之 间 ． 些 特 点 导 致 其 ｊ ２ＨＲ 这 切 削 时 刀 具 前 刀 面 与 切 屑 接 触 长 度 短 ． 削 力 呈 切 冲击 状 ， 削 力 和 切 削 热 集 中在 刀 具 刃 口 ， 削 中 切 切 刀具 突然崩刃 破碎而 损坏 ．
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８ ・ ４
武 汉 理
２０ ０２年
第 ２ 卷 ６
有 效 完成 切 削 加 工 中的 切 削条 件 ， 即选 用 合适 的
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切 削 时 切 削 力 很 大 ， 削 力 比切 削 ４ 切 ｊ钢 （ 火 ） 正 提
难切削材料的加工技术
一、什么是难切削材料切削加工性差的材料，二、哪些因素影响材料的切削加工性1)材料的化学成分和配比，它是影响材料的热处理性能和材料切削加工性的根本因素。
2)材料的热导系数和线膨胀系数的影响3)材料的硬度、强度、韧性、塑性和弹性模量的影响4)材料的金相组织的影响三、具体难加工材料的加工1)淬火钢的切削淬火钢是指钢材经过淬火处理后，其结构为马氏体，硬度大于HRC50的钢，它在难切削材料中占有相当大的比例。
传统加工淬火钢的方法是磨削，但为了提高加工效率，解决工件形状复杂、不能磨削和淬火后工件产生形状、位置误差的问题，也需要采用车削、铣削、镗削、钻削和铰削等切削加工。
淬火钢在切削加工时有以下特点：淬火钢的硬度高达HRC50-65，强度高达2100-2600Mpa，几乎没有塑性，按照工件材料切削加工性分级属于最难切削的9a级，由于它的强度、硬度高，导热系数只有一般钢材的1/7,所以在切削时不仅切削温度高而且单位切削力高达4500Mpa。
它属于脆性材料，切削力集中在刃口附件，易造成崩刃或打刀。
切削淬火钢的刀具材料应选择硬度高抗弯强度也高的硬质合金或陶瓷和立方氮化硼。
切削淬火钢的刀具几何参数：通常情况下前角为-10°—0°，断续切削时前角为-10°—-30°，后角为8°—10°，主偏角为30°—60°。
刃倾角为-5°—0°，刀尖圆弧半径为0.5—2mm。
切削淬火钢的切削用量，首先，要根据刀具材料和工件材料的物理力学性能、工件形状、工件系统刚性和加工余量来选择。
其次，是考虑合理的切削速度。
再次，选择切削深度和进给量。
一般淬火钢的耐热性为摄氏200—400度，高于此温度，淬火钢的硬度开始下降，而硬质合金刀具、陶瓷刀具和立方氮化硼的耐热性分别为摄氏800—1000度、1100—1200度和1400—1500度，所以在切削淬火钢时，要充分利用这已特性，合理选择切削速度。
难加工金属材料的切削加工性
难加工金属材料的切削加工性随着科学技术的发展，对机械电子、航空航天、兵器产品和化工设备及其零部件的性能有着各种新的要求。
有的需在高温、高应力状态下工作，有的要能耐腐蚀、耐磨损，有的要能绝缘，有的需有高的电导率。
故现代新型工程材料不断涌现。
不仅使用一般的碳素构造钢，而且使用了高强度、超高强度合金构造钢、高锰钢和不锈钢；不仅使用一般的灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁，而且使用了合金耐磨铸铁和冷硬铸铁；不仅使用黑色金属，而且使用了钛合金、铜合金、铝合金及其他有色金属；不仅使用一般的铁碳合金，而且使用了多元合金如高温合金等；不仅使用以珠光体、铁素体为主的普通钢材，而且使用了以索氏体、托氏体为主的中硬调质钢和马氏体淬硬钢。
此外，还大量使用各种非金属材料和粉末冶金材料等。
在以上新工程材料中，有不少是属于难切削的，即所谓“难加工材料”。
难加工的原因一般是以下几个方面：①高硬度；②高强度；③高塑性和高韧性；④低塑性和高脆性；⑤低导热性；⑥有大量微观硬质点或硬夹杂物；⑦化学性质活泼。
这些特性一般都能使切削过程中的切削力加大，切削温度升高，刀具磨损加剧，刀具使用寿命缩短；有时还将使已加工表面质量恶化，切屑难以控制；终则使加工效率和加工质量降低，加工成本提高。
一、高强度、超高强度钢的切削加工性与普通碳素构造钢相比，高强度钢、超高强度钢的强度高(都比45钢高出l倍或l倍以上)，导热系数偏低，故切削力大(为加工4.5钢的1.2—1.3倍)，切削温度高(比加工45钢高出100—200℃)，刀具磨损快，刀具使用寿命短，断屑亦稍难。
根据以上特点，必须采用耐磨性强的刀具材料。
按粗加工、半精加工、精加工的要求，应分别采用不同牌号的YT 类硬质合金，添加钽、铌的牌号。
高速精加工时，应采用高TiC含量并添加钽铌的YT类合金、TiC基和Ti(C，N)基硬质合金、涂层硬质合金和复合A1203陶瓷等。
刀具前角应较小，例如车削38CrNi3MoVA时，取γ。
可实现高效加工的低温切削系统
可实现高效加工的低温切削系统有效消除刀具/工件界面处的切削热是延长刀具寿命、缩短加工时间、实现高效加工的主要途径。
为了实现这一目标，可以采用几种常规方法，如干式切削、最小量润滑（MQL）、浇注式冷却、高压冷却等，而低温切削技术也可以名列其中。
不过，并非所有使用致冷剂的加工系统都采用相同的方式来延长刀具寿命、提高切削）作为致冷剂，速度和进给率。
本文介绍三种低温切削方法，其中有两种使用液氮（LN2）与空气或干性气雾润滑剂的混合物。
另一种则采用液态二氧化碳（CO2图1 ICEFLY系统可将用于致冷的液氮输送至刀具切削刃处(鼠标悬浮窗口放大，单击查看放大全图)为了应对刀具基体的大敌——切削热，温度低至-196℃的液氮是一种高效、无残留的致冷剂。
如果不能有效去除切削热，刀具就会受热软化，并提前失效。
美国工业气体供应商Air Products and Chemicals公司开发了ICEFLY致冷剂输送系统以及在切削区应用致冷剂的相关加工技术。
该技术可使切削区温度保持在-157~0℃（图1）。
ICEFLY系统使用专门设计的同轴套管（内外管）来输送致冷剂。
高压液氮在内管中流动，而外管中的低压液氮流可最大限度地减少内管中高压液氮的热损失。
饱和的高压液氮流通过一个外部喷嘴喷出，并在喷到目标表面上后立即蒸发，不会产生任何残留。
由Dimensional Control公司生产的Spidercool喷嘴就是一款伺服驱动的可编程喷嘴，它可以安装到几乎任何型号的立式或卧式加工中心上。
不过，为了确保在极低温度下使用时不会发生粘连，对标准的Spidercool喷嘴进行了重新设计，采用了一些新的内部组件。
ICEFLY系统主要用于加工5类工件材料：①硬度高于HRC45的钢和铸铁；②经过烧结硬化或热处理的粉末金属；③高硬度金属基复合材料；④用于制造医用植入物的钴铬合金和其他难加工材料（以避免使用一直被怀疑为污染源的传统金属切削液）；⑤用聚合物材料（如有机硅、聚氨酯和PEEK树脂）制成的医用植入物。
难切削材料加工技术
1． 前角选择的原则：刀具材料的抗弯强度和韧性较高时，可选用大前角。
高速钢刀具的前角，在同样条件下，可比硬质合金刀具的前角大5-10°，而陶瓷的前角又要比硬质合金的小一些。
加工塑性材料宜选较大的前角，以减少金属变形和摩擦。
加工脆性材料时，应选5-15读的较小前角。
工件材料硬度、强度较低时，应选用较大前角，反之，选负前角或较小的正前角，以增强刀刃的强度和散热的体积。
粗加工取较小的前角，精加工取较大的前角，精密成型刀具取零度前角。
2． 倒棱选择原则：倒棱宽度和进给量有关。
倒棱宽度一般取（0.3~0.8）f 粗加工取大值。
进给量f<=0.2mm/r 的精加工刀具，不宜磨出负倒棱。
高速钢倒棱前角取-5~0°，硬质合金倒棱角去-15~-5。
另外也可以采用刃口钝圆形式代替倒棱，可以增强刃口强度，一般用于粗加工。
3． 后角选用原则：后角主要按照切削厚度来选择。
切削厚度小时，宜选用大后角，以减少刃口圆弧半径，使刃口锋利。
当f<=0.25mm/r 时，取后角为10~12°，反之，取后角为6~8°。
后角还依据材料强度和硬度选择，材料强度和硬度高，应取小的后角，相反则取大的后角，当工艺系统刚性差时，应选用小的后角或刃带宽=0.1mm~0.2mm,角度为0的刃带。
另外后角的选择与刀具的运动轨迹有关。
副后角选择原则与主后角相似。
4． 主偏角选择原则：在工艺系统和工艺要求允许的情况下，主偏角宜选的小一些。
工艺系统刚性好、切深小和工件硬度高时，如对冷硬铸铁和淬火钢的加工，取10~30°，工艺系统差可取75~93°。
粗加工时为了增加刀尖强度，改善散热条件，应取较小主偏角。
5． 副偏角的选择原则：在工艺系统刚性较好的情况下，副偏角不宜取得太大，精加工时取5~10°，粗加工时取10~15°。
切断刀或切槽刀为了增强刀头强度，取1~2°。
微量润滑冷却与涂层刀具结合的切削试验研究
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【 摘要 】 随着环保要求的不断提 高，传统浇注式冷却润滑切 削已越 来越 受到 限制 ，干式切 削的应用得到 了 发展 ，但 目 前普遍推
广仍存在一定的 困难 ，使涂层 刀具的切 削性 能优 势也 难以充分发挥。本文用 气泡雾化 ＭＱＣ Ｌ系统 ，与涂层 Ｍ２高速钢刀具结合进
行切 削试验 。结果表明 ，气泡雾化 ＭＱＣ Ｌ是提 高涂层 刀具切削性 能的一条有效途径．应 用前景广阔。
ｉ ｇ ｓ ｏ ｈ ｔ ｏ ａ ａ ｅ ｎ ｉ ｒ ｖ ｄ ａ ｄ ｔ ｅｓ ｒ ｉ ｅｌ ｅ ｉ ｅ ｔ ｎ ｅ ｙ ｕ ｉ ｇｂ ｂ ｌ ｇ ａｏ ｚ ｇ ｎ ｍｏ ｔ ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱｏ ｌ ｗｅ ｒ ｓ ｅ ｈ ｂ ｍｐ ｏ ｅ ｎ ｅ ｖ ｃ ｆ ｘ ｅ ｄ ｄ ｂ ｓ ｕ ｂ ｉ ｔ ｍｉ ｉ ． ｈ ｉ ｓ ｎ ｎ ｎ Ｋｅ ｒ ｓ ｃ ａ ｅ ｏ ｓ ｍｉｒ ｄ ｓ ｏ ｌ ｇａ ｄｌ ｂ ｃ ｔ ｎ ｄ ｉ ｉｇ ｍ ｉ ｉｇ ｙ ｗｏ ｄ ： ｏ ｔ ｄｔ ｌ； ｃ ｏ ｏ ｅ ｃ ｏ ｉ ｎ ｒ ａｉ ； ｒｌ ； ｌ ｎ ｏ ｎ ｕｉ ｏ ｌ ｎ ｌ
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难加工材料微量润滑及低温辅助切削加工技术研究
安庆龙;韦靖;高斌;党嘉强;徐锦泱;明伟伟;陈明
【期刊名称】《工具技术》
【年(卷),期】2022(56)7
【摘 要】随着绿色制造已成为世界制造业未来的发展趋势,清洁切削是实现机械加
工环境、操作人员和生产资源和谐发展的有效途径。本文综述了近年来上海交通大
学在难加工材料微量润滑及低温辅助加工技术方面的研究,概括了微量润滑和低温
辅助等清洁加工方式在典型难加工材料中的应用可行性及效果,具体内容主要包括:
阐述了微量润滑及低温辅助切削加工的工作原理;采用有限元方法对微量润滑流场
分布进行仿真,获取了工作参数对冷却润滑效果的作用规律;表征了不同微量润滑和
低温辅助过程中的刀-屑摩擦磨损特性;系统研究了冷却润滑条件对不同难加工材料
加工过程中切削和刀具磨损机理的作用,揭示了低温辅助和微量润滑环境对典型难
加工材料切削性能的改善机制;研究了不同加工方式冷却润滑条件对加工表面完整
性创成的影响。
【总页数】8页(P18-25)
【作 者】安庆龙;韦靖;高斌;党嘉强;徐锦泱;明伟伟;陈明
【作者单位】上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室;上海交通大学机械与
动力工程学院;航空工业庆安集团有限公司
【正文语种】中 文
【中图分类】TG502.38;TG506.3;TH162
【相关文献】
1.难加工材料超声辅助切削加工技术2.低温微量润滑技术在几种典型难加工材料加
工中的应用3.航空典型难加工材料切削加工技术研究进展4.低温切削技术在难加
工材料加工中的应用5.难加工材料高效切削的超临界二氧化碳低温微量润滑技术
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