新绿色切削冷却润滑剂作用机理及其应用技术基础研究

摘要

随着航空、航天、舰船、电站设备等工业的发展，钛合金TC4和镍基高温合金GH4169的应用日益增多，但TC4和GH4169的切削加工性差，常采用切削液，甚至加入极压添加剂，以减小切削力，降低切削温度，减小刀具磨损，提高表面质量和加工效率。而传统的切削液及极压添加剂会污染环境、危害人体健康，不符合绿色制造的要求。随着可持续发展战略的实施，绿色切削已成为机械加工领域的发展趋势和研究方向之一。电离空气和水蒸汽具有原料来源广泛、制备使用无污染又无须回收处理等特点，是新型的切削冷却润滑剂，因而对电离空气和水蒸汽作冷却润滑剂的作用机理及绿色切削相关技术的研究，特别在难加工材料切削中的应用研究，具有重要的理论意义和广阔的应用价值。
　　首先，在综述难加工材料绿色切削技术发展现状的基础上，研究了气体作冷却润滑剂的作用机理。基于吸附理论建立了气体在毛细管壁的吸附动力学模型，采用热力学分析并结合扫描电镜（SEM）、能谱分析（EDS）及X射线光电子能谱（XPS）检测研究了刀屑接触区边界润滑层的形成机理，并用摩擦试验验证了气体作冷却润滑剂的润滑作用效果。通过表面冷却试验表明液体在高温表面冷却过程中会产生气膜，影响表面传热系数，验证了毛细管微滴爆炸模型的正确性，为气体作冷却润滑剂提供了理论依据，认为气体作冷却润滑剂不仅有射流的直接冷却作用，还有在切削区形成润滑层减小摩擦的间接冷却作用。
　　然后，将电离空气作冷却润滑剂应用在典型难加工材料钛合金TC4和镍基高温合金GH4169的车削中。研制了试验所需的关键设备，即电离空气供气系统，并搭建了车床上的切削试验系统，试验结果表明电离空气可减小切削力、降低切削温度、减小刀具磨损、提高刀具使用寿命、改善加工表面形貌，建立了切削力和切削温度的经验公式并对其指数和系数进行了分析；通过刀具磨损试验得到了刀具寿命曲线及泰勒公式。
　　再后，进行了新绿色冷却润滑剂即电离空气和水蒸汽条件下的钛合金TC4铣削试验，研制了铣削快速落刀装置，获得了钛合金TC4的铣屑根，为研究TC4的铣屑形成过程提供了重要依据。为研究铣削力和铣削温度，基于斜角切削理论建立了力和温度的理论模型，用有限元方法对铣削力和铣削温度进行了仿真。结果表明：电离空气和水蒸汽可减小铣屑变形和铣削力、降低铣削温度、加工表面粗糙度减小、刀具使用寿命提高；铣削力和铣削温度的计算值、仿真值与试验值较吻合，说明理论模型是有效的。
　　最后，用电离空气和水蒸汽做冷却润滑剂对镍基高温合金GH4169进行了铣削试验,获取了铣屑根，得到了铣屑变形、铣削力、铣削温度和刀具磨损。结果表明：电离空气和水蒸汽可减小铣屑变形和铣削力、降低铣削温度、加工表面粗糙度减小、刀具使用寿命提高。刀具磨损试验结果表明：电离空气和水蒸汽作冷却润滑剂可减轻硬质点磨损、粘结磨损和扩散磨损。

目录

新绿色切削冷却润滑剂作用机理及其应用技术基础研究

新绿色切削冷却润滑剂作用机理及其应用技术基础研究

RESEARCH ON MECHANISM AND BASIC APPLICATION TECHNOLOGIES OF NEW GREEN CUTTING COOLANTS

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题来源及研究的目的和意义

1.2 绿色切削冷却润滑技术的发展与应用

1.3 电离空气作冷却润滑剂的国内外研究现状

1.4 水蒸汽作冷却润滑剂的国内外研究现状

1.5 典型难加工材料绿色切削的国内外研究现状

1.6 主要研究内容

第2章 新绿色切削冷却润滑剂的作用机理研究

2.1 引言

2.2 冷却润滑剂在切削区的渗透过程

2.3 刀—屑接触区边界润滑层形成机理的研究

2.4 气体作切削冷却润滑剂润滑作用机理的研究

2.5 气体作切削冷却润滑剂冷却作用机理的研究

2.6 本章小结

第3章 电离空气作冷却润滑剂的车削试验研究

3.1 引言

3.2 电离空气供气系统的研制

3.3 电离空气的性质及臭氧含量的测定

3.4 45钢的车削试验

3.5 TC4的车削试验

3.6 GH4169的车削试验

3.7 本章小结

第4章 新绿色冷却润滑剂的TC4铣削试验研究

4.1 引言

4.2 TC4铣削变形的研究

4.3 TC4的铣削力与铣削温度理论模型的研究

4.4 TC4的绿色铣削试验研究

4.5 TC4铣削的有限元仿真

4.6 本章小结

第5章 新绿色冷却润滑剂的GH4169铣削试验研究

5.1 引言

5.2 GH4169铣削变形的试验研究

5.3 GH4169的绿色铣削试验研究

5.4 GH4169铣削的有限元仿真研究

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士期间发表的学术论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致谢

个人简历