基于低温氮气和微量润滑技术的钛合金高速铣削技术研究
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摘要
钛合金以其质轻而强度高等特点，广泛应用于航空工业，但其加工效率问题一直是工业制造技术中迫切需要解决的难题。本文基于“绿色加工”理念，以钛合金TC4的高速铣削为对象，进行了利用低温氮气和微量润滑剂替代传统浇注切削液作为切削介质的探索性研究。主要工作如下：
1．在综合分析现有低温冷风发生装置的原理和结构后，提出了采用半导体制冷器作为冷源的构想。设计了新型的半导体制冷低温冷风发生装置，进行了建模仿真和大量的制冷性能测试试验等工作。该装置制冷性能能满足试验需求。
2．在常温氮气油雾、低温氮气和低温氮气油雾介质下进行了钛合金高速铣削的铣削力试验研究，分析了铣削力随铣削长度的变化规律以及刀具磨损对铣削力的影响。发现低温氮气和低温氮气油雾相比常温氮气油雾能有效地降低铣削力，而低温氮气油雾的效用更加明显。从切削介质的润滑和冷却性能以及钛合金的物理机械性能出发解释了上述现象产生的原因。
3．在常温氮气油雾、低温氮气和低温氮气油雾介质下进行了钛合金高速铣削的刀具磨损试验研究，发现低温氮气油雾相比其它两种介质能大大降低刀具磨损，提高刀具寿命，对切屑粘刀现象也有一定程度上的抑制。比较分析了三种介质下刀具的磨损量及宏微观磨损形态，较为详尽地阐述了三种介质下刀具的磨损机理。
Ti alloy with characteristics of high intensity and light mass is used widely in aero industries. However, the low efficiency of Ti alloy machining has been the problem hard and urgent to solve in aeroplane industries. Based on "green machining", pioneer researches on high speed milling of Ti alloy TC4 with minimal quantities of lubricant carried by cooled nitrogen instead of traditional cutting fluids were done in this paper. The main work was summarized as follows:
1. After analyzing the principles and structures of present cryogenic machining equipments for cutting or grinding center, a new method of producing cooled gas by semiconductor refrigeration equipment was proposed; Then based on the works of mathematic evaluation, design and manufacturing of primary parts and experiments for refrigeration performance testing, a new cryogenic machining equipment for cutting or grinding center was developed successfully.
2.Under the conditions of nitrogen-oil mixture, cooled nitrogen and cooled nitrogen-oil mixture, the milling force experiments on high speed milling of Ti alloy TC4 were contrastingly done. The variational rules of milling force under different milling media and the variational rules of milling force with miller wear were analyzed respectively.
3.The miller wear experiments and Scan Electronic Microscope(SEM) were used to a-
nalyze the wear mechanism of miller under the conditions of nitrogen-oil mixture, cooled nitrogen and cooled nitrogen-oil mixture. The results show that comparing with other two media, the cooled nitrogen-oil mixture can reduce the miller wear greatly, increase the tool life and restrain the chip adhesion.
1．在综合分析现有低温冷风发生装置的原理和结构后，提出了采用半导体制冷器作为冷源的构想。设计了新型的半导体制冷低温冷风发生装置，进行了建模仿真和大量的制冷性能测试试验等工作。该装置制冷性能能满足试验需求。
2．在常温氮气油雾、低温氮气和低温氮气油雾介质下进行了钛合金高速铣削的铣削力试验研究，分析了铣削力随铣削长度的变化规律以及刀具磨损对铣削力的影响。发现低温氮气和低温氮气油雾相比常温氮气油雾能有效地降低铣削力，而低温氮气油雾的效用更加明显。从切削介质的润滑和冷却性能以及钛合金的物理机械性能出发解释了上述现象产生的原因。
3．在常温氮气油雾、低温氮气和低温氮气油雾介质下进行了钛合金高速铣削的刀具磨损试验研究，发现低温氮气油雾相比其它两种介质能大大降低刀具磨损，提高刀具寿命，对切屑粘刀现象也有一定程度上的抑制。比较分析了三种介质下刀具的磨损量及宏微观磨损形态，较为详尽地阐述了三种介质下刀具的磨损机理。
Ti alloy with characteristics of high intensity and light mass is used widely in aero industries. However, the low efficiency of Ti alloy machining has been the problem hard and urgent to solve in aeroplane industries. Based on "green machining", pioneer researches on high speed milling of Ti alloy TC4 with minimal quantities of lubricant carried by cooled nitrogen instead of traditional cutting fluids were done in this paper. The main work was summarized as follows:
1. After analyzing the principles and structures of present cryogenic machining equipments for cutting or grinding center, a new method of producing cooled gas by semiconductor refrigeration equipment was proposed; Then based on the works of mathematic evaluation, design and manufacturing of primary parts and experiments for refrigeration performance testing, a new cryogenic machining equipment for cutting or grinding center was developed successfully.
2.Under the conditions of nitrogen-oil mixture, cooled nitrogen and cooled nitrogen-oil mixture, the milling force experiments on high speed milling of Ti alloy TC4 were contrastingly done. The variational rules of milling force under different milling media and the variational rules of milling force with miller wear were analyzed respectively.
3.The miller wear experiments and Scan Electronic Microscope(SEM) were used to a-
nalyze the wear mechanism of miller under the conditions of nitrogen-oil mixture, cooled nitrogen and cooled nitrogen-oil mixture. The results show that comparing with other two media, the cooled nitrogen-oil mixture can reduce the miller wear greatly, increase the tool life and restrain the chip adhesion.
引文
[1] 曾风中，马登奇．绿色的冲击．北京：中国环境科学出版社，1998
[2] 丁树荣．绿色技术．北京：中国环境出版社，1997
[3] 刘光复，刘志峰，李钢．绿色工业产品——可持续发展的必然选择．97大连先进制造模式与制造哲理研讨会论文集，1997,9：97～102
[4] “中国21世纪议程”编制领导小组．中国21世纪议程——中国21世纪人口、环境与发展白皮书．北京：中国环境科学出版社，1994
[5] 陈玉祥．可持续发展与企业．中国机械工程学会会讯．武汉：中国机械工程杂志社，1998,5
[6] 王西彬．绿色切削加工技术的研究．机械工程学报,2000,36(8)：6～11
[7] F.Klocke,G.Eisenblatter. Dry Cutting.Annals of CIRP,1997,46(2)
[8] Ottawn,Ontario. Canada Green Plan .Ministry of Supply and Serices, 1990
[9] Zhang H C,Kuo T C,Lu H T.Environmentally conscious design and manufacturing:AS tate-of-the-Art Survey.Journal of Manufacturing Systems,1997,16(5):352～369
[10] Toeshoff H K,Egger R,Klocke E.Enviroment and safety aspects of electrophysical and electrochemical process.CIRP Annals, 1996,45(2):553
[11] Sheng P, Bennet D,Thurwachter S.Enviromental-based systems planning for maching.CIRP Annals, 1998,47(1):409～414
[12] 刘飞，张华，岳红辉．绿色制造——现代制造业的可持续发展模式．中国机械工程，1998,9(6)：76～78
[13] 王昆兴，田玉华．环境意识设计与制造新概念及其发展动向．计算机集成制造系统，1998,4(4)：1～7
[14] A.R.Machado,J.Wallbank.The effect of extremely low lubrication volumes in machining.Wear, 1997,210:76～82
[15] 张克金．清洁生产技术在金属加工介质中的应用和发展(一)：世界汽车技术发展跟踪研究(四)．汽车工艺与材料,2002,6：5～9
[16] 刘志峰．喷雾冷却法及其应用．机械工艺师，1997,7：9～13
[17] 刘存祥，胡荣生．切削区的喷雾冷却．工具技术，1996,30(8)：2～5
[18] S Paul,A B Chattopadhyay.Determination and control of grinding zone temperature under cryogenic cooling. Tools Manufact,1996,36(4)
[19] 陈世伟(译)．液态氮冷却抑制切削刀具发热．国外金属加工,1997，3
[20] T.Cselle.Rotating Tooling for Dry and High Speed Cutting.Proceeding of Germany-France Conference on High Speed Machining,1998:85～89
[21] C.Dunlap.Should You Try Dry? .Cutting Tool Engineering, 1997,2
[22] 横川和彦，横川宗彦，奥村成史．冷风研削、切削加工技术．机械工具，1998,7：57～62
[23] 张震，何曙华．低温冷风切削技术浅谈．工具技术,2002,36(6)：32～33
[24] 刘光复，刘志峰，李钢．绿色设计及绿色制造．北京：机械工业出版社，2001
[25] Shang Y Hong.Advancement of economical cryogenic maching technology.Proceedings of 3~(rd) International Conference on Manufacturing, 1995
[26] 李企芳．难加工材料的加工技术．北京：北京科学技术出版社，1992
[27] 张春江．钛合金切削加工技术．西安：西北工业大学出版社，1986
[28] M.Dumitrescu, M.A.Elbestawi,T.I.EI-Wardany.Mist coolant applications in high speed machining of advanced materials.Metal cutting and high speed machining, 2002:329～339
[29] H.SASAHARA,F.NIZUTANI.Application of Oil-mist Lubrication to High-Speed Milling.J.JSPE, 2000,66(1)
[30] 陈德成，铃木康夫，酒井克彦．微量润滑油润滑和冷风冷却加工法对高硅铝合金切削面的影响．机械工程学报,2000,36(11)：70～74
[31] 陈德成，铃木康夫，加茂进．冷风切削加工对不锈钢加工表面的效果．机械工程学报，1999,35(4)：93～95
[32] 陈德成，铃木康夫，酒井克彦．复合喷雾加工法在切削加工过程中的冷却和润滑效果．中国机械工程,2000,11(9)：1035～1038
[33] 潘良贤，吴殿宗，刘肇发等．钛合金车削过程切屑形成的实验研究．中国机械工程学会机械加工学会第三届年会论文集(二)，1981：425～442
[34] 满忠雷．基于绿色制造的钛合金高速铣削技术研究[博士学位论文]．南京：南京航空航天大学机电学院,2003
[35] 横川和彦，横川宗彦．冷风研削、切削加工技术．机械工具，1998，7：32～37
[36] 刘献礼，文东辉，钟佳．低温发生装置及风冷却切削用技术．制造技术与机床,2001，10：8～9
[37] 王宏杰，杜家练，陈金灿．半导体制冷系统性能特性优化．制冷，1999，4：53～58
[38] 姚志彪．半导体制冷装置的试验研究．流体机械，1996,12：48～52
[39] 徐德盛．半导体制冷与应用技术．上海：上海交通大学出版社，1992
[40] 姚仲鹏．传热学．北京：北京理工大学出版社，1995
[41] 朱明善．工程热力学．北京：清华大学出版社，1995
[42] 倪其民高速切削技术研究．机械制造，1999,7(4)：25～27
[43] 张永强．高速切削及其关键技术的发展现状．航空精密制造技术,2001，37(2)：1～5
[44] 赵炳桢．高速铣削刀具铣削技术现状．工具技术，1999,33(1)：4～7
[45] 李学芳．国外刀具材料发展近况．工具技术，1999,(3)：3～8
[46] 张幼桢．金属切削原理．北京：航空工业出版社，1988
[47] 章宗城．跨世纪的切削加工技术．机械制造,2000,38(4)：23～26
[48] 小野浩二，河村末久，北野昌则，岛中勉(著)．高希正，刘德中(译)．理论切削学．北京：国防工业出版社，1985
[49] 李锡文，杜润生，杨叔子．铣刀磨损过程中铣削力与磨损面积分析．华中理工大学学报，1998,26(2)：45～48
[50] 周泽华．金属切削原理．上海：上海科学技术出版社，1993
[51] 小野浩二．理论切削工学．日本东京：现代工学社，1979
[52] 冈本定次，土井雅博．机械工厂和低温利用．北京：兵器工业出版社，1988
[53] 航空制造工程手册总编委会．航空制造工程手册(飞机机械加工、框架壳体工艺)．北京：航空工业出版社，1995
[54] Z.Zhao, S.Y.Hong.Cooling Strategies for Cryogenic Machining from a Materials View Point.Journal of Materials Engineering and Performance, 1992,15:669～678
[55] Woo Cheol Jeong.Investigation of Liquid Nitrogen Lubrication Effect In Cryogenic Machining[D]. Columbia :Columbia University,2002
[56] 臼井英治．切削磨削加工学．北京：机械工业出版社，1982
[57] 王珉．钛合金铣削加工中刀具磨损的研究[博士学位论文] ．南京：南京航空航天大学机电学院，1985
[58] 张剑峰，周志芳．摩擦磨损与抗磨技术．天津：天津科技翻译出版公司，1993
[59] Cook N H.Tool wear and tool life.Trans.of the ASME.Jour. of Engineering for Industry,1973,95:931
[60] Tech-Solve Inc..Microlubrication in Metal Machining Operations [R].Waste Management and Research Center Reports.Cincinnati:Tech-Solve Inc.,2002
[61] Michael Gerard Gressel.Comparison of Mist Generation of Flood and Mist Application of Metalworking Fluids During Metal Cutting[D]. Cincinnati:Cincinnati University,2001
[62] Institute of Advanced Manufacturing Sciences Inc. of Cincinnati,Ohio.Pollution Prevention Guide to Using Metal Removal Fluids in Machining Operations[R].Cincinnati,Ohio:Institute of Advanced Manufacturing Sciences Inc.,2002
[2] 丁树荣．绿色技术．北京：中国环境出版社，1997
[3] 刘光复，刘志峰，李钢．绿色工业产品——可持续发展的必然选择．97大连先进制造模式与制造哲理研讨会论文集，1997,9：97～102
[4] “中国21世纪议程”编制领导小组．中国21世纪议程——中国21世纪人口、环境与发展白皮书．北京：中国环境科学出版社，1994
[5] 陈玉祥．可持续发展与企业．中国机械工程学会会讯．武汉：中国机械工程杂志社，1998,5
[6] 王西彬．绿色切削加工技术的研究．机械工程学报,2000,36(8)：6～11
[7] F.Klocke,G.Eisenblatter. Dry Cutting.Annals of CIRP,1997,46(2)
[8] Ottawn,Ontario. Canada Green Plan .Ministry of Supply and Serices, 1990
[9] Zhang H C,Kuo T C,Lu H T.Environmentally conscious design and manufacturing:AS tate-of-the-Art Survey.Journal of Manufacturing Systems,1997,16(5):352～369
[10] Toeshoff H K,Egger R,Klocke E.Enviroment and safety aspects of electrophysical and electrochemical process.CIRP Annals, 1996,45(2):553
[11] Sheng P, Bennet D,Thurwachter S.Enviromental-based systems planning for maching.CIRP Annals, 1998,47(1):409～414
[12] 刘飞，张华，岳红辉．绿色制造——现代制造业的可持续发展模式．中国机械工程，1998,9(6)：76～78
[13] 王昆兴，田玉华．环境意识设计与制造新概念及其发展动向．计算机集成制造系统，1998,4(4)：1～7
[14] A.R.Machado,J.Wallbank.The effect of extremely low lubrication volumes in machining.Wear, 1997,210:76～82
[15] 张克金．清洁生产技术在金属加工介质中的应用和发展(一)：世界汽车技术发展跟踪研究(四)．汽车工艺与材料,2002,6：5～9
[16] 刘志峰．喷雾冷却法及其应用．机械工艺师，1997,7：9～13
[17] 刘存祥，胡荣生．切削区的喷雾冷却．工具技术，1996,30(8)：2～5
[18] S Paul,A B Chattopadhyay.Determination and control of grinding zone temperature under cryogenic cooling. Tools Manufact,1996,36(4)
[19] 陈世伟(译)．液态氮冷却抑制切削刀具发热．国外金属加工,1997，3
[20] T.Cselle.Rotating Tooling for Dry and High Speed Cutting.Proceeding of Germany-France Conference on High Speed Machining,1998:85～89
[21] C.Dunlap.Should You Try Dry? .Cutting Tool Engineering, 1997,2
[22] 横川和彦，横川宗彦，奥村成史．冷风研削、切削加工技术．机械工具，1998,7：57～62
[23] 张震，何曙华．低温冷风切削技术浅谈．工具技术,2002,36(6)：32～33
[24] 刘光复，刘志峰，李钢．绿色设计及绿色制造．北京：机械工业出版社，2001
[25] Shang Y Hong.Advancement of economical cryogenic maching technology.Proceedings of 3~(rd) International Conference on Manufacturing, 1995
[26] 李企芳．难加工材料的加工技术．北京：北京科学技术出版社，1992
[27] 张春江．钛合金切削加工技术．西安：西北工业大学出版社，1986
[28] M.Dumitrescu, M.A.Elbestawi,T.I.EI-Wardany.Mist coolant applications in high speed machining of advanced materials.Metal cutting and high speed machining, 2002:329～339
[29] H.SASAHARA,F.NIZUTANI.Application of Oil-mist Lubrication to High-Speed Milling.J.JSPE, 2000,66(1)
[30] 陈德成，铃木康夫，酒井克彦．微量润滑油润滑和冷风冷却加工法对高硅铝合金切削面的影响．机械工程学报,2000,36(11)：70～74
[31] 陈德成，铃木康夫，加茂进．冷风切削加工对不锈钢加工表面的效果．机械工程学报，1999,35(4)：93～95
[32] 陈德成，铃木康夫，酒井克彦．复合喷雾加工法在切削加工过程中的冷却和润滑效果．中国机械工程,2000,11(9)：1035～1038
[33] 潘良贤，吴殿宗，刘肇发等．钛合金车削过程切屑形成的实验研究．中国机械工程学会机械加工学会第三届年会论文集(二)，1981：425～442
[34] 满忠雷．基于绿色制造的钛合金高速铣削技术研究[博士学位论文]．南京：南京航空航天大学机电学院,2003
[35] 横川和彦，横川宗彦．冷风研削、切削加工技术．机械工具，1998，7：32～37
[36] 刘献礼，文东辉，钟佳．低温发生装置及风冷却切削用技术．制造技术与机床,2001，10：8～9
[37] 王宏杰，杜家练，陈金灿．半导体制冷系统性能特性优化．制冷，1999，4：53～58
[38] 姚志彪．半导体制冷装置的试验研究．流体机械，1996,12：48～52
[39] 徐德盛．半导体制冷与应用技术．上海：上海交通大学出版社，1992
[40] 姚仲鹏．传热学．北京：北京理工大学出版社，1995
[41] 朱明善．工程热力学．北京：清华大学出版社，1995
[42] 倪其民高速切削技术研究．机械制造，1999,7(4)：25～27
[43] 张永强．高速切削及其关键技术的发展现状．航空精密制造技术,2001，37(2)：1～5
[44] 赵炳桢．高速铣削刀具铣削技术现状．工具技术，1999,33(1)：4～7
[45] 李学芳．国外刀具材料发展近况．工具技术，1999,(3)：3～8
[46] 张幼桢．金属切削原理．北京：航空工业出版社，1988
[47] 章宗城．跨世纪的切削加工技术．机械制造,2000,38(4)：23～26
[48] 小野浩二，河村末久，北野昌则，岛中勉(著)．高希正，刘德中(译)．理论切削学．北京：国防工业出版社，1985
[49] 李锡文，杜润生，杨叔子．铣刀磨损过程中铣削力与磨损面积分析．华中理工大学学报，1998,26(2)：45～48
[50] 周泽华．金属切削原理．上海：上海科学技术出版社，1993
[51] 小野浩二．理论切削工学．日本东京：现代工学社，1979
[52] 冈本定次，土井雅博．机械工厂和低温利用．北京：兵器工业出版社，1988
[53] 航空制造工程手册总编委会．航空制造工程手册(飞机机械加工、框架壳体工艺)．北京：航空工业出版社，1995
[54] Z.Zhao, S.Y.Hong.Cooling Strategies for Cryogenic Machining from a Materials View Point.Journal of Materials Engineering and Performance, 1992,15:669～678
[55] Woo Cheol Jeong.Investigation of Liquid Nitrogen Lubrication Effect In Cryogenic Machining[D]. Columbia :Columbia University,2002
[56] 臼井英治．切削磨削加工学．北京：机械工业出版社，1982
[57] 王珉．钛合金铣削加工中刀具磨损的研究[博士学位论文] ．南京：南京航空航天大学机电学院，1985
[58] 张剑峰，周志芳．摩擦磨损与抗磨技术．天津：天津科技翻译出版公司，1993
[59] Cook N H.Tool wear and tool life.Trans.of the ASME.Jour. of Engineering for Industry,1973,95:931
[60] Tech-Solve Inc..Microlubrication in Metal Machining Operations [R].Waste Management and Research Center Reports.Cincinnati:Tech-Solve Inc.,2002
[61] Michael Gerard Gressel.Comparison of Mist Generation of Flood and Mist Application of Metalworking Fluids During Metal Cutting[D]. Cincinnati:Cincinnati University,2001
[62] Institute of Advanced Manufacturing Sciences Inc. of Cincinnati,Ohio.Pollution Prevention Guide to Using Metal Removal Fluids in Machining Operations[R].Cincinnati,Ohio:Institute of Advanced Manufacturing Sciences Inc.,2002