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2022年 第33卷 第05期    刊出日期：2022-03-10
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清洁切削专辑
2022, 33(05):  1. 
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专稿
序言
2022, 33(05):  505. 
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综述
微量润滑复合增效技术及其应用研究进展
杨简彰, 王成勇, 袁尧辉, 袁松梅, 王西彬, 梁赐乐, 李伟秋
2022, 33(05):  506-528.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.05.001
摘要 ( )   PDF (22261KB) ( )  
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微量润滑技术具有切削液用量少、润滑效率高等优点，但在特定工况下仍存在冷却性不足以及润滑不充分等问题。微量润滑复合增效技术，如低温冷风、液态CO2等，综合了良好冷却和润滑优势，可有效解决难加工材料清洁切削加工难题。综述了各类微量润滑复合增效技术原理、关键装置及其工艺应用最新研究进展，详细剖析了各类装置性能及其参数调控特性。结合微量润滑复合增效应用形式和作用机制，系统分析了其在钛合金、镍基合金、不锈钢等难加工材料的应用性能，并对各类微量润滑复合增效技术进行了可持续性分析，为清洁切削技术的工程应用提供技术支撑和参考。
低温微量润滑加工技术研究进展与应用
刘明政, 李长河, 曹华军, 张松, 陈云, 刘波, 张乃庆, 周宗明
2022, 33(05):  529-550.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.05.002
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综述了低温微量润滑技术的最新进展，阐明了研究成果中的关键科学问题。首先，系统分析了从传统设置到创新设计的低温微量润滑装备在切削中的应用形式和工艺特点。其次，揭示了低温微量润滑的冷却润滑机理及其对切削热力演变和工件表面质量的影响机制。然后，基于低温微量润滑的作用机理和应用形式，系统分析了低温微量润滑在车削、铣削、磨削中针对典型难加工金属的应用性能，发现低温微量润滑技术对抑制热力耦合损伤及提高表面质量的效果优于低温或微量润滑单独使用。最后，分析了该技术的局限性并展望了其发展方向，为低温微量润滑技术的工程应用提供了参考。
清洁切削加工理论
低温液氮冷却下高速切削淬硬钢的切屑形成及刀具磨损
吴世雄, 张文锋, 刘广东, 王成勇
2022, 33(05):  551-559.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.05.003
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针对低温液氮冷却下淬硬钢高速车削过程中切屑形成及刀具磨损机理尚缺乏相关研究的问题，开展了液氮冷却下的淬硬钢高速切削研究，并与干切进行了对比。分析了切削力、切削温度、切屑特征以及刀具磨损特征，讨论了冷却润滑、切屑形成及刀具磨损机理。结果表明: 与干切相比，各组实验中低温液氮冷却切削的切削温度降低了6.9%~9.9%，因材料硬化使得切削力增大了10.1%~12.8%；低温液氮冷却下，切屑锯齿化程度相比干切明显增大，这与第一变形区应力应变更大、切屑形成存在从热塑性剪切失稳到周期性脆性断裂的过渡有关；低温液氮对切削界面的润滑降低了切削热，液氮强射流吹离了高热切屑，强传热换热能力可迅速置换切削区热量；与干切相比，低温液氮明显减小了黏结磨损，通过冷却增强刀体减缓了刀具微剥落，刀具寿命延长了28.6%~47.1%;低温液氮冷却下，黏结不再是主要磨损机理之一，磨粒磨损、冲击磨损为主要磨损机理，后刀面片状剥落和微崩刃为主要刀具破损形式。
离子液体在微量润滑磨削界面的摩擦学机理研究
王德祥, 赵齐亮, 张宇, 高腾, 江京亮, 刘国梁, 李长河,
2022, 33(05):  560-568，606.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.05.004
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采用电镀CBN砂轮，以镍基合金GH4169为工件材料，实验研究了两种离子液体的微量润滑磨削加工性能，分别是1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(［BMIM］BF4)和1-己基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐(［HMIM］BF4)，并采用分子动力学模拟，揭示了离子液体在磨粒/工件界面物理吸附膜的形成机制，进一步开展了工件已加工表面的X射线光电子能谱（XPS）分析，揭示了离子液体在磨粒/工件界面化学反应膜的形成机制。研究结果表明：上述两种离子液体适合作为磨削液应用于微量润滑磨削加工中，既能较干磨大幅降低磨削比能和磨削力比，提高工件已加工表面质量，又能较干磨大幅降低磨削温度达100 ℃以上，避免磨削烧伤；磨粒磨钝表面由于微破碎所形成的凹槽状断口是离子液体进入磨粒/工件界面的输运通道，离子液体分子通过吸附在凹槽状断口内形成边界润滑膜，通过减小磨粒工件之间的直接接触面积来减小摩擦力；在微量润滑磨削加工过程中，以上两种离子液体均与工件在磨削界面上发生化学反应，形成了氟化物与氧化物共存的化学反应膜。
清洁切削加工工艺
相态对镍钛合金清洁切削性能和表面完整性的影响
余建杭, 颜培, 范雷, 顾慧卿, 焦黎, 仇天阳, 王西彬
2022, 33(05):  569-576.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.05.005
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针对镍钛合金的高效高速清洁加工，通过干切削、二氧化碳及液氮低温切削等清洁切削技术，设计了镍钛合金在不同相态下的切削实验，对切削性能、表面完整性指标进行了对比分析，研究了材料相态和切削参数对镍钛合金切削加工的影响规律。研究结果表明，马氏体相切削力最大，奥氏体相切削力最小，前者可达后者的1.04~3.84倍；切屑中存在Ni、Ti、O、C四种元素，主要以TiO2和NiCO3形式存在，两种化合物的生成量随切削温度变化，进而导致切屑颜色随工艺参数发生变化；当进给量较小时，奥氏体相加工表面粗糙度Ra值最大，马氏体相Ra值最小，前者可达后者的1.24~1.66倍；在马氏体相切削条件下，当切削速度为130 m/min、进给量为0.05 mm/r、切削深度为0.2 mm时，Ra值达到最小值0.73 μm。
高温合金蜂窝芯冰固持低损伤加工技术研究
姜少玮, 王永青, 刘阔, 武晓会, 杨子健, 杨月冰, 于清波, 杨晓龙
2022, 33(05):  577-582.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.05.006
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针对金属蜂窝芯存在的薄壁多孔、各向异性、面内弱刚性、径向强度小等加工难题，提出了高温合金蜂窝芯冰固持低损伤加工方法。分析了金属蜂窝芯冰固持装夹原理，验证了工艺系统的适应性和可靠性。开展了蜂窝芯冰固持超低温冷却加工的单因素试验，阐明了蜂窝芯加工缺陷形成规律。试验结果表明：在金属蜂窝芯加工中引入冰固持超低温冷却的装夹和加工方式，可降低切削热，实现加工过程中的固持约束保持，从而提高蜂窝壁抵抗变形的能力；切削参数中进给速度对加工质量影响最大，加工缺陷中撕裂毛刺占比最高，采用最优切削参数进行加工可保证低损伤、低粗糙度、无变形的良好加工质量，可实现难加工金属蜂窝芯的高质高效加工。
TC17钛合金低温铣削表面粗糙度预测
雷勇, 赵威, 何宁, 李亮
2022, 33(05):  583-588.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.05.007
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进行了TC17钛合金低温铣削试验，研究了不同切削条件下的已加工表面粗糙度。采用回归分析方法建立了表面粗糙度经验模型，研究了射流温度、每齿进给量、铣削速度和径向切削深度对表面粗糙度的影响规律。基于BP神经网络建立了表面粗糙度预测模型，并与经验模型进行了对比分析。研究结果表明，基于经验模型表面粗糙度值与参数间存在强相关性(R2=0.92),对表面粗糙度影响最大的因素为每齿进给量，然后依次是射流温度、径向切削深度、铣削速度，预测值与试验值均方误差为1.73×10-4 μm2，最大相对误差为8.81%，误差变化幅度较大；而基于神经网络模型的预测值与试验值均方误差为3.53×10-5 μm2，最大相对误差为3.64%，误差变化幅度较小，与经验模型相比，神经网络模型的预测精度和泛化能力更高，可更好地实现各参数对表面粗糙度影响的预测。
面向清洁生产的磨削工艺方案多层多目标优化模型及应用
吕黎曙, 邓朝晖, 刘涛, 万林林,
2022, 33(05):  589-599.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.05.008
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为了实现磨削过程的节能减排，提出了一种面向清洁生产的磨削工艺方案多层多目标优化模型。从清洁生产“三流（物料流、能量流、环境排放流）”的角度建立了面向清洁生产的磨削能耗与碳排放模型。从工艺路线和工序工艺参数层建立了以磨削能耗、磨削碳排放和磨削时间为目标的多层多目标优化模型，采用基于层次分析法和客观赋权法(CRITIC)法组合赋权的改进遗传算法进行优化求解。以某轴承套圈为研究对象进行磨削工艺实验，结果表明：通过算法优化得到的加工方案相较于传统的加工方案，在工艺层面节约了6.48%的加工时间、降低了42.81%的能耗、减少了8.26%的碳排放；在工序层面缩短了25%的磨削时间、降低了18.84%的能耗、减少了8.69%的碳排放。结果验证了模型和方法的有效性。最后依据上述研究结果提出了相应的节能减排策略。
清洁切削关键功能部件
超低温介质内冷式刀柄的设计及试验研究
赵地, 王永青, 刘阔, 邢家鹏, 刘海波
2022, 33(05):  600-606.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.05.009
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为满足常规机床超低温内冷式改造需求，设计了超低温内冷式刀柄，提出了内层旋转、外层静止的刀柄双层构型思路，分析了刀柄的传热过程及强度可靠性并进行了结构优化，利用热流固耦合数值模拟验证了刀柄的温度场、整体形变与强度。在此基础上，研制出超低温内冷式刀柄一套，开展了几何精度与热平衡温度测试。研究结果表明：刀柄隔热性能良好，且在稳定工作状态下可保持较高的几何精度，可满足常规机床的超低温内冷式加工需求，为超低温清洁切削技术的深入研究奠定了基础。
微量润滑系统油雾调控及雾粒特性研究
梁赐乐, 袁尧辉, 王成勇, 李伟秋, 杨简彰, 吴华艺
2022, 33(05):  607-614.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.05.010
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微量润滑油雾调控及雾粒传输方式直接影响油雾状态的变化，进而影响喷射至切削区域的雾粒特性。基于内置式微量润滑雾化技术和油雾内部传输应用特点，研究了不同微量润滑雾化参数和雾粒传输方式条件下油量调控性能和调控规律，并结合传输管路油雾出口雾粒特征，揭示了油雾传输管路内径和传输行程对雾粒特性的影响规律。研究结果表明，雾化室压差在传输油雾量调控上比进气压力作用显著，需要结合压差和进气压力二者影响来考虑雾化器开启数量以对传输油雾量进行调节，在传输过程中传输管路尺寸与行程是影响油雾雾粒特性的重要因素。
干切削技术
双重润滑条件下的刀具切削特性研究
衣明东, 王建平, 李传浩 , 许崇海,
2022, 33(05):  615-622.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.05.011
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为实现清洁切削技术，将Al2O3包覆CaF2复合粉体作为添加相，采用真空热压烧结工艺制备了一种Ti(C,N)基自润滑金属陶瓷刀具（TMC刀具），研究了Ti(C,N)基金属陶瓷刀具在微量润滑作用下切削300M钢的切削性能，结果表明：双重润滑与干切削方式相比，其三向切削力FX、FY、FZ分别减小了36.8%、13.1%和32.2%，切削温度下降了44.3%，相同切削距离条件下刀具后刀面磨损得到了明显改善，这有利于延长刀具的寿命和改善已加工表面质量。此外，能谱分析结果表明，刀具前后刀面均形成了固体润滑膜，起到了减摩作用。采用双重润滑方式有效降低了黏结磨损和氧化磨损。
干切滚齿机床热流复杂特性及多维调控策略
杨潇, 曾令万, 陈鹏, 杜彦斌, 李博
2022, 33(05):  623-629.  DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2022.05.012
摘要 ( )   PDF (7264KB) ( )  
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针对干切滚齿机床的热稳定性问题，研究其热量流动特性及优化控制策略。通过分析传动方式和结构布局特征，阐明了干切滚齿机床的热流复杂多源特性。基于宏微观传热动力学，建立了结构流体温度多场耦合的干切滚齿机床储热模型。通过热稳定性致变因子探析，提出了干切滚齿机床热流多维调控方法，包括热稳定性多源协同优化、压缩空气场协同强化换热、热流多传感器数据感知融合控制等。
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2022, 33(05):  630. 
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