劉永姜 陳東建 邵延君 李文舉 孫厚朝

(中北大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，山西 太原 030051)

在切削加工過程中，刀具與工件接觸時產(chǎn)生劇烈的摩擦，使得接觸區(qū)內(nèi)的壓力和溫度迅速升高。刀具磨損加劇，并導(dǎo)致切削力和切削溫度快速增加，使工件加工精度降低，直接影響加工效率、質(zhì)量和成本［1］。使用傳統(tǒng)的切削液在解決以上問題的同時，帶來了新的問題:①增加制造成本;②處理不當(dāng)時，環(huán)境污染嚴(yán)重;③威脅操作工人的身體健康［2］。在研究綠色切削技術(shù)［3］時，人們提出了低溫冷風(fēng)切削［4］、液氮冷卻切削、微量潤滑(MQL)［5］以及微量油膜水滴(OoW)等冷卻潤滑方式。

OoW 切削液的原理是利用微量可自然降解油劑、少量水和冷空氣在特殊噴嘴槍內(nèi)充分霧化后，形成的一種可自然降解、新型綠色的切削液，這種切削液具有廉價、無污染及無需回收等優(yōu)點(diǎn)［6］。由于油劑的親水性，會形成表面有一層薄壁油膜的小水滴(100～200 μm)［7］。以一定的速度把OoW 切削液噴射到切削區(qū)后，發(fā)生碰撞油膜破裂，吸收了切削區(qū)熱量后的水滴會汽化，降低切削區(qū)的溫度;同時高壓的冷風(fēng)使切削區(qū)的溫度進(jìn)一步降低，油劑可以在刀具和工件表面之間進(jìn)行充分的潤滑，減少刀具磨損［8］的同時也降低了切削熱的產(chǎn)生，減少切削區(qū)的變形。

本文通過采用OoW 切削液和其他冷卻潤滑方式下對45 碳素結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行切削試驗，研究了車削時OoW 切削液對刀具磨損和工件表面粗糙度的影響。

1 試驗研究

1.1 試驗方法

為了研究微量油膜水滴切削液在車削時對刀具磨損和工件表面粗糙度的影響，使用硬質(zhì)合金刀具對45 碳素結(jié)構(gòu)鋼分別在干切削、乳化液和微量油膜水滴做冷卻潤滑劑條件下進(jìn)行切削加工試驗。分別觀測刀具后刀面的磨損情況隨時間的變化和工件表面粗糙度。

1.2 試驗設(shè)備

(1)機(jī)床:型號為C621-1 的普通車床。

(2)刀具:硬質(zhì)合金車刀，刀具尺寸如表1。

表1 硬質(zhì)合金車刀刀具尺寸

(3)測量儀器:500 倍顯微鏡，粗糙度測量儀。

(4)切削液供給裝置:油膜水滴多功能供液裝置及特殊多段式噴嘴，如圖1 所示。

圖1 油膜水滴多功能供液裝置及特殊多段式噴嘴

(5)工件材料:工件的尺寸均為d=60 mm，L=1 000 mm。工件材料的力學(xué)性能如表2。

表2 工件的力學(xué)性能

1.3 試驗條件

OoW 切削液中壓縮空氣、水和可降解植物油供給壓力:2 MPa、0.8 MPa、0.5 MPa;油和水流量比例:1∶30。切削加工用量如表3 所示。

表3 切削加工用量

2 試驗結(jié)果分析

先使用顯微鏡的50 倍鏡頭對準(zhǔn)刀具后刀面，調(diào)節(jié)物鏡與后刀面的距離，使顯示屏上出現(xiàn)較為清晰的畫面，然后再旋轉(zhuǎn)物鏡選擇500 倍的倍數(shù)對刀具的后刀面進(jìn)行更為清晰的觀察并測量。測量時調(diào)整載物臺的旋轉(zhuǎn)螺母使十字交線同刀具后刀面的棱線保持平行并重合，通過標(biāo)線測量刀具后刀面的磨損情況。

在使用硬質(zhì)合金刀具車削45 碳素結(jié)構(gòu)鋼的刀具磨損試驗中，刀具的磨損主要發(fā)生在靠近刀尖的后刀面上。圖2 為車削45 碳素結(jié)構(gòu)鋼時，在不同的冷卻潤滑條件下后刀面達(dá)到磨鈍標(biāo)準(zhǔn)(VB=0.3 mm)時，刀具后刀面磨損量隨時間的變化曲線。從圖2 中可以看出，采用干切削時刀具的磨損嚴(yán)重，磨損帶寬度VB 隨時間快速增加，相對的采用乳化液時刀具磨損較為緩慢，OoW 切削液尤其如此。通過圖中數(shù)據(jù)比較得出:冷卻潤滑方式采用OoW 切削液時刀具的壽命分別是采用乳化液和干切削條件下的1.27 倍和1.75 倍。圖3 為刀尖在不同的冷卻潤滑方式下在500 倍顯微鏡下拍攝到的立體圖像。

圖2 不同的冷卻潤滑條件下車削45 碳素結(jié)構(gòu)鋼時刀具后刀面磨損量隨時間的變化曲線

圖3 不同冷卻潤滑條件下刀尖的立體圖像

分析試驗結(jié)果，在切削過程中會產(chǎn)生大量的熱，使切削區(qū)域的溫度很高，當(dāng)切削區(qū)溫度超過了刀具的熱硬性極限溫度時，刀具的硬度就會明顯下降，產(chǎn)生劇烈的磨損使刀具很快達(dá)到磨鈍而不能使用。由于沒有冷卻潤滑劑，干切削時由于切削溫度高和摩擦系數(shù)大的特點(diǎn)，導(dǎo)致刀具局部溫度過高。從而引起磨損加快，直至刀具達(dá)到磨鈍不能進(jìn)行正常使用。使用澆注乳化液的方式進(jìn)行冷卻潤滑時效果不明顯，低壓的切削液只有少部分進(jìn)入到刀具和切屑之間進(jìn)行冷卻和潤滑。于此同時，由于液滴吸熱蒸發(fā)成氣體阻止了后續(xù)的切削液進(jìn)入切削區(qū)，不能進(jìn)行持續(xù)有效的冷卻和潤滑。而微量油膜水滴在強(qiáng)力作用下可以順利進(jìn)入到切削區(qū)，冷卻潤滑效果很明顯。油膜水滴進(jìn)入切削區(qū)破裂后，水滴吸熱蒸發(fā)帶走大量的切削熱，從而降低切削區(qū)溫度。油膜會留在切削區(qū)，在刀具前刀面與切屑和刀具后刀面與工件之間進(jìn)行潤滑，有效地減少刀具磨損。

圖4 不同的冷卻潤滑條件下車削45 碳素結(jié)構(gòu)鋼時工件表面粗糙度的變化曲線

圖4 為在不同的冷卻潤滑條件下，切削45 碳素結(jié)構(gòu)鋼時工件表面粗糙度曲線。從圖中可以看出隨著進(jìn)給量的增大，在3 種不同的冷卻潤滑方式下工件的表面粗糙度都呈現(xiàn)出了增大的趨勢;在相同的進(jìn)給量下，采用干切削的工件表面粗糙度值最高，而采用OoW 切削液的工件表面粗糙度值最低。分析原因:干切削時，切削區(qū)沒有良好的潤滑，同時刀尖處容易產(chǎn)生積屑瘤，導(dǎo)致表面粗糙度較大;采用OoW 切削液進(jìn)行噴射冷卻潤滑時，液滴更容易進(jìn)入到刀具和工件表面之間形成潤滑膜，同時也能對兩個表面之間的區(qū)域進(jìn)行冷卻，降低工件的變形程度，從而降低工件表面粗糙度。

3 結(jié)語

本文通過對45 碳素結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行切削試驗，在分別采用干切削、乳化液和OoW 切削液3 種不同的冷卻潤滑方式下，對比試驗結(jié)果得出結(jié)論:OoW 切削液作為一種綠色切削液能提供較好的冷卻潤滑效果顯著提高刀具的切削性能，有效地提高刀具的使用壽命并降低工件表面的粗糙度值。

［1］Jayal Anshu D，Balaji A K.Effects of cutting fluid application on tool wear in machining:Interactions with tool-coatings and tool surface features［J］.Wear，2009，267(9/10):1723 -1730.

［2］Shokrani A，Dhokia V，Newman S T.Environmentally conscious machining of difficult-to-machine materials with regard to cutting fluids［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2012，57:83 -101.

［3］魏源遷，王新華，王愛玲，等.論生態(tài)加工液與零排放生產(chǎn)［J］.金剛石與磨料磨具工程，2004(3):23 -27.

［4］蘇宇，何寧，李亮.冷風(fēng)切削對高速切削難加工材料刀具磨損的影響［J］.摩擦學(xué)學(xué)報，2010(5):485 -490.

［5］周春宏，趙汀，姚振強(qiáng).最少量潤滑切削技術(shù)(MQL)—經(jīng)濟(jì)有效的綠色制造方法［J］.機(jī)械設(shè)計與研究，2005(5):81 -83.

［6］王愛玲，魏源遷，趙躍文，等.油膜附水滴加工液的物理特性與加工性能［J］.金剛石與磨料磨具工程，2004(1):5 -9.

［7］郭以偉，王愛玲，鄭智貞，等.微量油膜附水滴切削試驗研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2007(9):81 -82.

［8］劉永姜，王愛玲，王彪，等.微量油膜水滴切削加工不銹鋼的效果試驗研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2010(2):9 -12.