沈陽(yáng)第一機(jī)床廠世界上的一切財(cái)富都是人力資源開發(fā)自然資源的產(chǎn)物，其中制造業(yè)占有重要的地位，它既能創(chuàng)造財(cái)富，又是污染的源頭。據(jù)美國(guó)工業(yè)有害廢物沈陽(yáng)第一機(jī)床廠來(lái)源統(tǒng)計(jì)表明：金屬加工業(yè)占工業(yè)廢物來(lái)源的5% ，排第4位。其中傳統(tǒng)加上所使用的切削液給環(huán)境造成了嚴(yán)重的污染。可持續(xù)發(fā)展呼喚綠色制造，清潔生產(chǎn)需要綠色加工。本文主要利用綠色于加工技術(shù)之一——亞干式切削對(duì)幾種金屬材料進(jìn)行切削加工試驗(yàn)，并探討該切削加工方法的機(jī)理及優(yōu)勢(shì)。
2 試驗(yàn)方法
試驗(yàn)材料
試驗(yàn)裝置
切削試驗(yàn)方法
試驗(yàn)內(nèi)容
被切削材料分別選用45鋼，26HRC，D=75mm；CCr12, 58HRC, D=76mm；Cr12, 52HRC, D=82mm。
45鋼是中碳鋼的代表，其特點(diǎn)是切削性能好；GCr12是高沈陽(yáng)第一機(jī)床廠強(qiáng)度軸承鋼的代表，其特點(diǎn)是耐磨損，切削過(guò)程中所需功率大，刀具磨損嚴(yán)重；Cr12的特點(diǎn)是具有較高的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)熱率低，切屑內(nèi)的溫度梯度高，加工中切屑一刀具接觸表面溫度高，極易加劇刀具的擴(kuò)散磨損，加之其粘性大，切屑極易粘著刀尖，影響加工質(zhì)量，影響切削過(guò)程的穩(wěn)定性。
機(jī)床及測(cè)量?jī)x器：
冷風(fēng)發(fā)生裝置：
刀具：
機(jī)床(CA6140車床)；測(cè)力儀(Y60-3A )、光線示波器(SC16型)、X-Y函數(shù)記錄儀(CZ3-304，精度0.5mm，規(guī)格：25mm×3Omm)；自制刀具—工件熱電偶，電壓表(Pz26b)；(BCJ-2型表面粗糙度檢測(cè)儀；WNY-150醫(yī)用測(cè)溫儀， 自制設(shè)備，溫度最低可調(diào)至-35℃ 。 車用機(jī)夾刀片。切削GCr12沈陽(yáng)第一機(jī)床廠時(shí)使用德國(guó)產(chǎn)SNMM120408-NR7 WAP3O(測(cè)切削力時(shí)); SNMM150612 WAP20 (測(cè)切削熱時(shí))。切削45鋼時(shí)使用國(guó)產(chǎn)YT15 SNMM12 0408(測(cè)切削力時(shí))，YT15 SNMM150612 (測(cè)切削熱時(shí))。切削Cr12鋼時(shí)使用國(guó)產(chǎn)YW1(測(cè)切削力時(shí))，YT15(測(cè)切削熱時(shí))。
圖1 試驗(yàn)裝置
本試驗(yàn)采用的試驗(yàn)裝置如圖1所示，即將壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮氣體送至冷風(fēng)發(fā)生裝置，并由儀器、開關(guān)調(diào)節(jié)到所需溫度，再由噴嘴噴射到刀具前刀面和切屑之間，從而起到排屑沈陽(yáng)第一機(jī)床廠和冷卻切削區(qū)的作用。而亞干式切削時(shí)，添加劑以滴注方式隨冷風(fēng)帶人前刀面和切屑之間。
本研究均以連續(xù)切削為研究對(duì)象，所有相同材料，相同類別的試驗(yàn)均在同一根試件上完成；在切削穩(wěn)定性試驗(yàn)時(shí)采用同一根材料。分段連續(xù)切削完成，以增加同類試驗(yàn)的可比性。
切削GCr12時(shí)，取ap=0.75mm, f=0.1mm/r, 得圖2。
切削GCr12時(shí)。取V=49m/min , f=0.15mm/r, 得圖3。 1.自然冷卻 2 風(fēng)冷(-23℃) 3.燒注冷卻
圖2 切削GCr12時(shí)三種冷卻方法切熱與切削速度關(guān)系 1.自然冷卻 2 風(fēng)冷(-23℃) 3.燒注冷卻
圖3 切削GC12時(shí)三種冷卻方法切削力比較
1.自然冷卻 2.澆注冷卻 3.風(fēng)冷(-23℃) 4.亞干式
圖4 切削Cr12時(shí)不同冷卻沈陽(yáng)第一機(jī)床廠方法切削熱比較 1.自然冷卻 2.風(fēng)冷(-18℃) 3.亞干式
圖5 切削GC12時(shí)不間冷卻方法對(duì)刀具磨損和尺寸精度的影響
切削Cr12時(shí)，取V=51m/min, ap=0.75mm, f=0.1mm/r，得圖4。
切削CCr12時(shí)．取V=76.4m/min，ap=1mm，f=0.2mm/r，得圖5。
切削以CCr12時(shí)．取V=52m/min，ap=1mm，f=0.2mm/r，得圖6。 1.自然冷卻 2.-14℃冷風(fēng)射流冷卻 3.亞干式方式Ⅰ(從前刀面射流)4.亞干式方式Ⅱ(從前、后刀面同時(shí)射流)
圖6 切削Cr12時(shí)表沈陽(yáng)第一機(jī)床廠面粗糙度Ra值與冷卻方法關(guān)系
1.風(fēng)冷 2.亞干式
圖7 切削45鋼時(shí)冷風(fēng)冷卻切削力的比較
切削45鋼時(shí)．取V=70.4m/min，ap=1mm，f=0.2mm/r，得圖7。
3 試驗(yàn)分析與理論探討
切削力與切削熱
刀具磨損和加工精度
被加工零件的表面質(zhì)量
冷風(fēng)冷卻性能
由圖2可以看到，在切削低溫區(qū)，澆注冷卻的沈陽(yáng)第一機(jī)床廠效果好于風(fēng)冷；而在高溫區(qū)泛風(fēng)冷的效果好于澆注冷卻。由圖3可以看到，在自然冷卻、風(fēng)冷(-15℃)和傳統(tǒng)冷卻的切削中，在工藝參數(shù)相同的條件下，自然冷卻切削力最大，亞干式切削力最小。由圖4可知，在自然冷卻、澆注冷卻、風(fēng)冷(-23℃)和亞干式切削中，切削熱依次減少。對(duì)此可分析如下：
在切削用量相同，刀具幾何參數(shù)一致的情況下，影響切削力的最主要的因素是工件材料、切削時(shí)的冷卻狀況和刀具磨損。其中工件材料的物理機(jī)械性能及狀態(tài)影響最大，材料的強(qiáng)度、硬度越高，則創(chuàng)剪應(yīng)力)越大，從而切削力越大。而本試驗(yàn)工件材料、刀具材料均一致，在各切削參數(shù)相同的沈陽(yáng)第一機(jī)床廠前提下，切削力應(yīng)基本趨于一致。因此，試驗(yàn)結(jié)果不一致應(yīng)歸結(jié)于冷卻方法的不一致，是不同的冷卻方法改變了切削區(qū)材料的某些性能以及相應(yīng)的刀具磨損狀況。研究表明：低溫切削時(shí)體心立方晶格材料易發(fā)生低溫脆化。此時(shí)材料的機(jī)械性能受到金屬內(nèi)部晶格位錯(cuò)影響，在低溫下金屬內(nèi)部位錯(cuò)熱能低，其塑性變形應(yīng)力比高溫下抗力大，因而能提高材料強(qiáng)度；而低溫脆性是由孿生引起的龜裂所產(chǎn)生的。體心立方晶格金屬引起滑移所需屈服沈陽(yáng)第一機(jī)床廠應(yīng)力隨溫度急劇增大，但孿生應(yīng)力因溫度不同而產(chǎn)生的變化不大因此，低溫下孿生應(yīng)力比滑移應(yīng)力小，低溫脆性是由孿生優(yōu)先發(fā)生的。由此可見：低溫強(qiáng)風(fēng)冷卻引發(fā)被切削材料的低溫脆性是切削力小于其它冷卻方法的主要原因；同時(shí)低溫降低了切削熱溫度，保護(hù)了力具的切削性能，也從另一側(cè)面延緩因刀具磨損引發(fā)切削力增大的趨勢(shì)。
在冷風(fēng)冷卻切削中，亞干式切削的切削溫度低于一般的冷風(fēng)切削，這應(yīng)歸功于亞干式切削中添加劑的潤(rùn)滑作用。金屬切削中所消耗的全部功轉(zhuǎn)化為熱，而熱主要產(chǎn)生在第一變形區(qū)和第二變形區(qū)；工件材料在第一變形區(qū)受剪切時(shí)，隨著刀具相對(duì)于工件的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，剪切應(yīng)力增大，并沈陽(yáng)第一機(jī)床廠伴有加工硬化現(xiàn)象，在整個(gè)切削寬度上存在著極大的溫度梯度，通常在600℃左右．切削力也由此大大減小；隨著切削在第二變形區(qū)的繼續(xù)進(jìn)行，切屑沿前刀面流出，受到前刀面的擠壓和摩擦作用，使緊挨刀具前刀面的切屑溫度最高可達(dá)750℃左右；在沒有潤(rùn)滑液、切削溫度很高的情況下，前刀面與切屑是粘結(jié)摩擦或內(nèi)摩擦；當(dāng)潤(rùn)滑液滲到切屑、刀具與工件的接觸表面之間以后，粘附在金屬表面形成潤(rùn)滑膜，以此減小切屑與刀具、工件之間的摩擦系數(shù)、減輕粘結(jié)現(xiàn)象，以達(dá)到減小切削力和減少切削熱的目的。另一方面，按照切削方程式f=p/4-b+a(f為剪切角，b為沈陽(yáng)第一機(jī)床廠摩擦角，a為刀具前角)，減小摩擦系數(shù)意味著夕變小，協(xié)增大，從而使前刀面與切屑的接觸長(zhǎng)度減小，減少了摩擦，因而降低了切削溫度，這種效果是切削液冷卻和亞干式切削所共有的。但在高壓、高溫下油膜厚度會(huì)減薄，并部分蒸發(fā)，金屬表面的凸凹不平極易破壞油膜，使之趨向于邊界潤(rùn)滑。因此切削過(guò)程中潤(rùn)滑介質(zhì)的潤(rùn)滑作用取決于潤(rùn)滑介質(zhì)的潤(rùn)滑性能與其滲透性、成膜能力等：亞干式切削過(guò)程中切削區(qū)材料有低溫脆性、添加劑的滲透作用強(qiáng)，使之較切削液冷卻時(shí)的切削溫度更低。
從圖5可以看到，切削方法對(duì)刀具磨損和尺寸精沈陽(yáng)第一機(jī)床廠度影響以亞干式切削、風(fēng)冷、自然冷卻切削的順序由小到大，其中亞干式切削刀具磨損小，加工精度高；自然冷卻切削刀具磨損嚴(yán)重，尺寸精度低。可作如下分析：
在切削加工中，影響刀具壽命的最主要因素是切削點(diǎn)的切削熱，切削熱溫度升高會(huì)使刀具切削刃軟化，從而加速刀具磨損。冷風(fēng)冷卻導(dǎo)致切削區(qū)工件材料的低溫脆性，減小了切削力，降低了切削溫度，防止了刀具軟化；亞干式切削不僅防止了刀具的軟化，而且減輕了刀具、切屑和工件接觸面之間的摩擦，因此刀具磨損最小。
影響被加工零件的尺寸穩(wěn)定性的因素，主要是切削過(guò)程中工件溫度、刀具磨損在一個(gè)切削過(guò)程中的變化量。工件變形大，刀具磨損快．零件的尺寸穩(wěn)定性就差在上述兒沈陽(yáng)第一機(jī)床廠種冷卻切削中，亞卜式切削時(shí)切削溫度最低，切削力最小，刀具磨損也最少，因此零件的加工尺寸穩(wěn)定性最好：經(jīng)研究，亞于式切削時(shí)的尺寸誤差是自然冷卻切削尺寸誤差的5.5% ；風(fēng)冷是自然冷卻的38% ；在相同工藝條件下，自然冷卻的刀具磨損值VB=1.2mm，而風(fēng)冷僅為0.42mm。由此可見亞干式切削能延長(zhǎng)刀具的使用壽命，維護(hù)被加工零件的尺寸穩(wěn)定比，有助于精密和自動(dòng)化加工。
圖6顯示了幾種不同冷卻方法切削情況下，對(duì)應(yīng)被加工零件的表面粗糙度值的比較，其中亞干式切削零件的表面粗糙度值小于風(fēng)冷，而風(fēng)冷又小于自然冷卻。同樣沈陽(yáng)第一機(jī)床廠是亞干式切削，如果將從前刀面射流冷卻方式Ⅰ改為前、后刀面兩個(gè)方向射流冷卻的方式Ⅱ, Ra值就更小這說(shuō)明冷卻方法、方式的不同，其加工表面的質(zhì)量也是不一樣的：從機(jī)理上討論這一現(xiàn)象，可以認(rèn)為：減輕切屑、刀具與被加工表面之間的摩擦狀況；減輕切削區(qū)材料的變形程度、切屑與前刀面的粘結(jié)；抑制積屑瘤就可以提高刀具的耐用度，減小工件表面的Ra值，提高零件加工的表面質(zhì)量。
圖7給出了相同工藝條件下冷風(fēng)冷卻、亞干式切削在不同冷風(fēng)溫度下的切削性能對(duì)比。由圖可見：隨著冷卻介質(zhì)冷風(fēng)溫度的降低，切削力都在減小，但亞干式減小得更決。由此得到兩點(diǎn)啟示：
這種現(xiàn)象和傳熱的基本理論是一致的，可以通過(guò)沈陽(yáng)第一機(jī)床廠三種途徑，即提高傳熱系數(shù)、增大換熱面積和溫差，來(lái)強(qiáng)化換熱和傳熱過(guò)程。在本試驗(yàn)中隨著冷卻溫度的降低、溫差的增大，冷卻效果也愈顯著。
亞干式切削時(shí)的切削力曲線下降更快，說(shuō)明亞于式切削在引發(fā)材料低溫脆性、減少摩擦、保持刀具切削能力等諸多方面都是有益的，因而諸多因素的綜合作用效果比單因素作用效果好。但是應(yīng)該從成本、效果等多方面進(jìn)行綜合優(yōu)化。
4 結(jié)論
亞干式切削、冷風(fēng)冷卻切削是一種較優(yōu)的冷沈陽(yáng)第一機(jī)床廠卻切削方法，隨著切削熱、切削力的上升其冷卻效果愈顯著，其中亞干式切削更為明顯。
亞干式切削能保護(hù)被加工零件的尺寸穩(wěn)定性，顯著提高刀具使用壽命，減小加工表面的粗糙度值，有助于精密加工、自動(dòng)化加工的實(shí)現(xiàn)。
一般冷風(fēng)溫度越低，其冷卻效果會(huì)越好；但由于諸多因素的綜合作用，冷風(fēng)溫度與冷卻效果之間并不是完全的線性關(guān)系，從生產(chǎn)成本、冷卻效果等多方沈陽(yáng)第一機(jī)床廠面進(jìn)行綜合優(yōu)化還需要作進(jìn)一步研究。
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