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水蒸汽作绿色冷却润滑剂的作用机理及切削试验研究

刘俊岩  
【摘要】:为了降低切削温度,延长刀具使用寿命,提高生产效率和表面质量,一般均使用切削液。然而切削液的性能越好,成本越高,对环境和工人的危害越大。随着人们的环保意识增强,环保法规日趋严格,切削液的负面影响不容忽视,绿色切削技术已成为21 世纪机械制造领域的焦点,成为各国研究的重点。水蒸汽作切削冷却润滑剂属一种新型绿色切削技术,水蒸汽具有廉价、无污染、无危害及勿回收等优点,因此对水蒸汽作绿色冷却润滑剂的切削技术进行深入系统研究,具有重要的理论意义和实用价值。 在综述国内外绿色切削技术发展状况的基础上,首先对切削液渗透毛细管的动力学过程进行了研究。通过透明有机玻璃的切削试验,观察到了切削液渗透切削区毛细管过程的现象。基于此研究了切削液具有润滑作用的必要条件是切削液渗透毛细管的时间必须小于毛细管存在的时间, 即要有时间储备。并用Langmiuer 单层分子物理吸附理论和金属切削理论,探讨了切削液的物理特性对其渗透毛细管形成边界润滑层的影响,建立了刀—屑接触区的摩擦力模型。并提出了减小刀—屑接触摩擦力的有效方法,一是提高切削液的渗透性,二是降低形成边界润滑层的剪切强度。 然后,对水蒸汽作切削冷却润滑剂的作用机理进行了研究。水蒸汽作切削冷却润滑剂是以气相填充毛细管的,由于取消了液相的渗入和蒸发阶段,大大缩短了填充毛细管的时间,提高了渗透性。又由于水蒸汽中的水分子及氧原子在毛细管部位产生了吸附,在新鲜的刀—屑表面上发生了化学反应,形成了具有减摩抗磨作用的氧化膜,从而减弱了刀屑间的摩擦作用,显然这是水蒸汽起到的润滑作用。水蒸汽射流具有较强的对流换热能力,这是水蒸汽的直接冷却作用; 另外,由于水蒸汽的润滑作用减少了切削热的产生,也间接起到了冷却作用; 这样在其双重作用下,切削温度得到了显著降低。 再然后进行了水蒸汽作冷却润滑剂的切削试验研究。试验结果表明:水蒸汽作冷却润滑剂切削45 钢时,主切削力比干切、压缩空气及乳化液分别减小约25—30%、15—20%、10—15%; 平均摩擦系数μ、变形系数Λh及表面粗糙度值Ra 均有减小。通过单因素试验找出了水蒸汽射流参数对主切削力、切削变形及加工表面变质层深度的影响规律。通过正交切削试验,获得了作用效果较佳的水蒸汽射流参数,为水蒸汽作冷却润滑剂的绿色切削技术的应用提供了科学依据。


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