崔海濤，魏朝良，邵騰飛

（中國(guó)石油大連潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心，遼寧大連 116032）

銑削條件下金屬加工液的切削性能評(píng)價(jià)研究

崔海濤，魏朝良，邵騰飛

（中國(guó)石油大連潤(rùn)滑油研究開(kāi)發(fā)中心，遼寧大連 116032）

金屬加工液在金屬切削加工過(guò)程起到非常重要的作用，合理選擇金屬加工液，能夠保證切削質(zhì)量的前提下，提高生產(chǎn)效率，并降低生產(chǎn)成本。文章通過(guò)搭建的銑削力測(cè)試平臺(tái)，研究銑削參數(shù)與切削力和工件表面粗糙度的關(guān)系，并進(jìn)行不同潤(rùn)滑條件對(duì)銑削過(guò)程中切削力和工件表面粗糙度的影響研究，考察金屬加工液的銑削性能差別，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案具有很好的區(qū)分性，可以對(duì)金屬加工液的銑削性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

金屬加工液;切削力;工件表面粗糙度

0 引言

隨著我國(guó)裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，帶動(dòng)了金屬加工液產(chǎn)品需求量的持續(xù)增長(zhǎng)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)的金屬加工液的年消耗量30萬(wàn)～50萬(wàn)t規(guī)模，并且保持10%左右的年增長(zhǎng)率［1］。從金屬加工液的應(yīng)用來(lái)看，主要包括成型液、切削液、處理液和保護(hù)液等四大類(lèi)，其中金屬切削液的比例最大，約占整個(gè)金屬加工液的45%左右，是使用最為廣泛的金屬加工液產(chǎn)品。

金屬切削液的主要功能是降低摩擦系數(shù)，減少切削熱量生成，提高工件表面質(zhì)量，延長(zhǎng)刀具使用壽命。因此，一個(gè)優(yōu)質(zhì)的切削液產(chǎn)品，應(yīng)該體現(xiàn)在提高切削參數(shù)、降低刀具消耗、防止機(jī)床銹蝕、提高工件質(zhì)量、降低維護(hù)成本、保證人身安全、減少環(huán)境污染等方面。而這些目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，則需要在了解當(dāng)今機(jī)械加工和材料技術(shù)的最新動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用物理、化學(xué)和生物科學(xué)的最新技術(shù)，研發(fā)出適用于各種加工要求的產(chǎn)品并使上述指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)組合。

金屬切削液的評(píng)價(jià)方法多種多樣，根據(jù)評(píng)價(jià)性能的需要，大致可以分為三大類(lèi):第一類(lèi)為簡(jiǎn)單的滾動(dòng)和滑動(dòng)摩擦;第二類(lèi)為金屬去除和成屑過(guò)程;第三類(lèi)為金屬板材的成型或拉伸過(guò)程［2］。每種方法都有其自己的優(yōu)點(diǎn)和局限性，到目前為止，還沒(méi)有一種行之有效的實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)金屬加工液的摩擦磨損性能的方法，這主要是由于成本和時(shí)間的受限，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)僅能模擬有限的加工工藝［3］。本文將通過(guò)建立的銑削力測(cè)試平臺(tái)，考察切削液的潤(rùn)滑性能、工件表面質(zhì)量以及刀具保護(hù)性能。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用CMV－850型立式加工中心進(jìn)行銑削，采用YDCB－Ⅲ05壓電式多功能切削力測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行銑削力測(cè)量，采用Mitutoyo SJ－201P粗糙度測(cè)量?jī)x對(duì)工件表面質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。

測(cè)試系統(tǒng):切削力測(cè)試系統(tǒng)包括YDCB－Ⅲ05壓電式多功能切削力儀、YE5850B電荷放大器、PCI－9118DG/L信號(hào)采集卡、計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)采集軟件。

圖1給出銑削力測(cè)量系統(tǒng)示意圖。

圖1 銑削力測(cè)量系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)材料

工件材料:45#鋼（4HB170－197，調(diào)質(zhì)）。

刀具型號(hào):可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金立銑刀。

試驗(yàn)切削液:KLC 8204切削液、KLC 8205切削液和國(guó)外參考切削液。

1.3 試驗(yàn)條件

測(cè)量工況:采用多因素影響實(shí)驗(yàn)方法，綜合考慮主軸轉(zhuǎn)速、軸向切深、徑向切深和進(jìn)給量，試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。

表1 銑削試驗(yàn)條件

2 結(jié)果與分析

通過(guò)干切削、KLC 8204切削液、KLC 8205切削液及參考切削液的銑削實(shí)驗(yàn)，分析切削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律。同時(shí)對(duì)研制產(chǎn)品與參考切削液進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了兩者對(duì)切削力及工件表面質(zhì)量情況的影響。

2.1 切削力影響分析

在制定銑削方案過(guò)程中，重點(diǎn)考慮進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速對(duì)切削力的影響，根據(jù)試驗(yàn)方案測(cè)量切削力變化后，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，內(nèi)容如下:

（1）進(jìn)給量對(duì)切削力的影響

根據(jù)所采集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析來(lái)看，在固定主軸轉(zhuǎn)速、軸向和徑向切深的情況下，進(jìn)給量對(duì)切削力的影響顯著。以KLC 8204切削液銑削實(shí)驗(yàn)為例進(jìn)行分析。

圖2給出不同進(jìn)給量條件下所測(cè)量的F x，F(xiàn) y和F z三個(gè)方向的銑削過(guò)程切削力變化曲線，從圖2可以看出，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速相同條件下，三個(gè)方向的切削力分力隨著進(jìn)給量的增加而變大，尤其以主切削力F y方向的分力影響最為顯著。

（2）主軸轉(zhuǎn)速對(duì)切削力的影響

固定進(jìn)給量、軸向和徑向切深的情況下，分析主軸轉(zhuǎn)速對(duì)銑削過(guò)程切削力的影響，以KLC 8205切削液為例進(jìn)行分析。

圖3給出切削力隨著主軸轉(zhuǎn)速的變化曲線，從圖3中可以看出，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)切削力的影響有限，F(xiàn) x和F z方向分力影響不大，F(xiàn) y方向分力隨著主軸轉(zhuǎn)速的變化表現(xiàn)出波動(dòng)，但是沒(méi)有明顯的規(guī)律性。

通過(guò)對(duì)兩種切削液的銑削過(guò)程切削力進(jìn)行測(cè)量，即KLC 8204和KLC 8205切削液，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明:影響銑削過(guò)程各向切削力（F x，F(xiàn) y，F(xiàn) z）大小的主要因素為進(jìn)給量，在銑削過(guò)程，各向切削力隨著進(jìn)給量的增加而變大，即同樣工況條件下，進(jìn)給量越大，所測(cè)量的切削力越大;在銑削過(guò)程中，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)切削力影響較小，沒(méi)有明顯的規(guī)律性。

圖2 切削力隨進(jìn)給量變化曲線

圖3 切削力隨主軸轉(zhuǎn)速變化曲線

2.2 切削力性能評(píng)價(jià)

首先通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析切削液對(duì)銑削過(guò)程切削性能的影響，在此對(duì)干切削及KLC 8204切削液在各工況條件下所測(cè)量的切削力進(jìn)行對(duì)比。

圖4給出主軸轉(zhuǎn)速400 r/min條件下，干切削與采用KLC 8204切削液在各工況條件下所測(cè)量三向分力對(duì)比。切削力的數(shù)據(jù)對(duì)比情況表明，在同樣主軸轉(zhuǎn)速、軸向和徑向切深，不同的進(jìn)給量下，采用KLC 8204切削液后，能夠有效降低切削力。這主要是采用切削液將有效改善切削環(huán)境，尤其是能夠降低切削表面的溫度，帶走切削過(guò)程所產(chǎn)生的大量切削熱，同時(shí)為刀具表面提供潤(rùn)滑的原因。

圖4 干切削與KLC8204切削液切削力對(duì)比

為了考察該方法的區(qū)分性，進(jìn)行了同類(lèi)產(chǎn)品切削性能對(duì)比。

選擇兩款相近油品KLC 8205及國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品作為參考切削液，見(jiàn)圖5。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比可以看出，兩者在同樣工況條件下，銑削過(guò)程中切削力有明顯差別，三個(gè)方向的切削力對(duì)比中，參考切削液的切削力測(cè)試結(jié)果要明顯低于KLC 8205切削液。

圖5 KLC 8205與參考切削液切削力對(duì)比

通過(guò)本節(jié)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，表明:本實(shí)驗(yàn)采用的KLC 8204切削液與干切削相比具有改進(jìn)切削環(huán)境的功能，切削力的各項(xiàng)分力明顯優(yōu)于干切削環(huán)境;同樣使用切削液情況下，通過(guò)對(duì)切削力的測(cè)量，能夠區(qū)分不同切削液的性能差別。

2.3 工件加工表面質(zhì)量評(píng)價(jià)

銑削過(guò)程影響工件表面質(zhì)量因素很多，主要有機(jī)床精度、切削參數(shù)的設(shè)定、刀具的選擇以及切削液性能等。

表面粗糙度指零件已加工表面上所具有的較小間距和微小峰谷不平度的微觀幾何形狀的尺寸特征，是反映零件表面質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，表面粗糙度的評(píng)定參數(shù)應(yīng)從輪廓算術(shù)平均偏差Ra、微觀不平度十點(diǎn)高度Rz和輪廓最大高度R中選取。本實(shí)驗(yàn)中取Ra作為銑削過(guò)程工件表面質(zhì)量的評(píng)價(jià)參數(shù)。

首先對(duì)采用KLC 8204切削液與干切削實(shí)驗(yàn)的工件表面質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)，以考察切削液在銑削過(guò)程中對(duì)工件表面質(zhì)量的影響。

圖6給出同樣主軸轉(zhuǎn)速條件下，干切削與采用KLC 8204切削液后，工件表面粗糙度隨進(jìn)給量的變化曲線，從圖6可以看出，采用切削液后，工件表面粗糙度更小，表明同樣工況條件下，采用切削液后，工件的表面質(zhì)量明顯改善，能夠表明切削液在銑削過(guò)程能夠有效改善切削環(huán)境，有助于提高工件表面質(zhì)量。通過(guò)該圖也能看出進(jìn)給量對(duì)工件表面粗糙度的影響有限，沒(méi)有明顯的規(guī)律性。

下面進(jìn)行兩款同類(lèi)產(chǎn)品的工件加工后的表面質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比，分別為KLC 8205切削液和國(guó)外參考切削液。

按照切削原理，加工過(guò)程中，適當(dāng)提高主軸轉(zhuǎn)速，能夠降低工件表面粗糙度，從而提高工件表面加工質(zhì)量，見(jiàn)圖7。

圖6 工件表面粗糙度隨進(jìn)給量變化曲線

圖7 工件表面粗糙度隨主軸轉(zhuǎn)速變化曲線

從圖7中可以看出，當(dāng)固定進(jìn)給量、軸向及徑向切深的前提下，工件表面的粗糙度受主軸轉(zhuǎn)速影響明顯，表現(xiàn)為:表面粗糙度隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高而降低。同時(shí)可以看出，在同樣工況條件下，采用KLC 8205切削液銑削后的工件表面粗糙度要低于采用參考切削液，工件表面質(zhì)量更好。

首先通過(guò)第一組試驗(yàn)，即KLC 8204切削液與干切削進(jìn)行對(duì)比來(lái)看，采用切削液后明顯降低了工件表面粗糙度，尤其是在低轉(zhuǎn)速區(qū)域改善更為明顯;通過(guò)進(jìn)行同類(lèi)切削液產(chǎn)品的試驗(yàn)，可以看出，切削液對(duì)改善工件表面質(zhì)量的能力不同，該試驗(yàn)?zāi)軌騾^(qū)分不同切削液在降低工件表面粗糙度，提高工件表面加工質(zhì)量的能力;通過(guò)改變?cè)囼?yàn)參數(shù)，考察主軸轉(zhuǎn)速對(duì)銑削過(guò)程工件表面質(zhì)量的影響來(lái)看，適當(dāng)提高主軸轉(zhuǎn)速可以達(dá)到降低工件表面加工粗糙度、提高表面質(zhì)量的目的。通過(guò)KLC 8205切削液與參考切削液實(shí)驗(yàn)對(duì)比，可以看出研制的新型切削液能夠有效改善工件表面質(zhì)量。

3 結(jié)論

（1）影響銑削過(guò)程各向切削力（F x，F(xiàn) y，F(xiàn) z）大小的主要因素為進(jìn)給量，各向切削力隨著進(jìn)給量的增加而變大，即同樣工況條件下，進(jìn)給量越大，所測(cè)量的切削力越大。

（2）銑削過(guò)程中，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)切削力影響較小，尤其是F x和F z方向分力受主軸轉(zhuǎn)速的影響有限，F(xiàn) y方向分力隨著主軸轉(zhuǎn)速變化表現(xiàn)出波動(dòng)，但并沒(méi)有表現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。

（3）銑削過(guò)程中，工件表面的粗糙度受主軸轉(zhuǎn)速影響明顯，工件表面粗糙度在一定程度上隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高而降低。

（4）固定主軸轉(zhuǎn)速、軸向切深以及徑向切深時(shí)，不同進(jìn)給量條件下測(cè)量的工件表面粗糙度雖然具備很好的區(qū)分性，但是未呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。

（5）通過(guò)對(duì)工件表面質(zhì)量測(cè)量，可以看出研制的KLC 8205切削液具備很好的銑削性能，能夠降低工件表面粗糙度，提高工件表面加工質(zhì)量。

（6）通過(guò)制定的銑削測(cè)試方案，能夠很好地區(qū)分不同銑削環(huán)境下切削力的變化情況。

［1］李茂生.金屬加工液的開(kāi)發(fā)應(yīng)用于評(píng)價(jià)方法［J］.潤(rùn)滑與密封，2010，35（11）:123－127.

［2］邵騰飛，魏朝良，董瑩，等.金屬加工液潤(rùn)滑性能的實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)手段［C］∥大連潤(rùn)滑油技術(shù)經(jīng)濟(jì)論壇論文專(zhuān)輯，2011:291－294.

［3］Theo Mang.Wilfried Dresel Lubricants and Lubrication［M］.Weinheim:WILEY－VCH Verlag GmbH＆Co.KGaA，2007.

An Investigation to Determ ine the Performance of Cutting Fluid in Milling

CUIHai－tao，WEIChao－liang，SHAO Teng－fei
（PetroChina Dalian Lubricating OilR＆D Institute，Dalian 116032，China）

Cutting fluid p lays an im portant role inm etalcutting.The proper cutting fluid can effectively im prove the efficiency and save the product cost.In this paper，a special testm ethod w as developed for evaluating the com prehensive performance of cutting fluid w ith the m illing testm achine.This m ethod investigated the influences ofm illing param eters on cutting force and surface roughness.Experim ents to m easure cutting force and surface roughness w ere carried out under several kinds of lubricating conditions inc luding dry m achining and different cutting fluids.The results show ed that the developed m ethod can be used to evaluate the perform ance of cutting fluid and has an excellent distinguishability.

cutting fluid;cutting force;surface roughness

TE626.39

A

1002-3119（2012）06-0015-04

2012－07－26。

崔海濤（1979－），男，工程師，2006年畢業(yè)于大連理工大學(xué)動(dòng)力機(jī)械及工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)從事潤(rùn)滑油評(píng)定工作。