劉永姜，馬國(guó)紅，杜盼盼，李文舉，陳東建，孫厚朝

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

微量油膜附水滴綠色加工技術(shù)的研究

劉永姜，馬國(guó)紅，杜盼盼，李文舉，陳東建，孫厚朝

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

通過微量油膜附水滴切削液、干切削和乳化液的對(duì)比試驗(yàn)，研究微量油膜附水滴的切削效果。試驗(yàn)結(jié)果表明:與干切削和乳化液潤(rùn)滑比較，采用微量油膜附水滴不僅能夠降低切削力，而且還能降低刀具的磨損。

微量油膜附水滴;切削力;刀具磨損

0 前言

機(jī)械切削加工中，刀具與工件的劇烈摩擦使得切削區(qū)的環(huán)境惡劣，產(chǎn)生的高溫和高壓會(huì)加劇刀具的磨損，導(dǎo)致切削力增大，表面質(zhì)量下降，直接影響加工效率和質(zhì)量。為解決以上存在的問題，使用傳統(tǒng)的冷卻潤(rùn)滑方式不僅排放的加工廢液造成了環(huán)境問題也會(huì)對(duì)人體造成損害，而且成本相對(duì)較高。為了保護(hù)環(huán)境和降低生產(chǎn)成本，需要開發(fā)一種改善生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境的新型綠色加工技術(shù)。

為了達(dá)到在減少使用切削液的同時(shí)又不降低切削加工的效果，國(guó)內(nèi)外相關(guān)單位開發(fā)研制新型的綠色切削技術(shù)，隨后相繼提出了干切削、低溫冷風(fēng)、液氮冷卻、氣體射流冷卻、微量潤(rùn)滑 (Minimal Quantity Lubrication，MQL)、水蒸氣冷卻和微量油膜附水滴 (Oils on Water，OoW)等冷卻潤(rùn)滑方式［1］。

微量油膜附水滴 (OoW)冷卻潤(rùn)滑技術(shù)是將微量植物油和微量水經(jīng)壓縮空氣和特殊噴嘴，霧狀化并形成表面吸附一薄層油膜的微小水滴，即微量油膜附水滴，又經(jīng)壓縮空氣以一定速度噴射到加工面和刀具表面上，其中殘留在工件表面的少量水會(huì)被加工產(chǎn)生的切削熱帶走或蒸發(fā)，而微量油膜起潤(rùn)滑和防銹作用，由于油膜的擴(kuò)張性和親水性，在工件加工表面和刀具表面上產(chǎn)生良好的冷卻和潤(rùn)滑效果［2－3］。

1 試驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)材料及刀具

工件:1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼，直徑d=60 mm，長(zhǎng)度L=1 000 mm;

刀具:硬質(zhì)合金，前角γ0=15°，后角α0=10°，主偏角Кr=60°，副偏角К'r=10°，刃傾角λs=0。

1.2 試驗(yàn)裝置及設(shè)備

(1)試驗(yàn)機(jī)床:C620-1普通車床;(2)OoW切削液供給裝置:機(jī)械加工復(fù)合噴霧系統(tǒng)及特殊多段式噴嘴;(3)測(cè)試設(shè)備:HRU-426壓電式三向動(dòng)態(tài)測(cè)力儀，KEYENCE VH-S5顯微鏡。

1.3 試驗(yàn)方案及條件

該試驗(yàn)采用硬質(zhì)合金刀具對(duì)1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼在OoW切削液、干切削和乳化液的潤(rùn)滑條件下進(jìn)行外圓車削試驗(yàn)，通過試驗(yàn)獲得的切削力、刀具磨損量和切屑形態(tài)來研究OoW切削液的切削效果。冷卻潤(rùn)滑條件及切削用量條件分別如表1、2所示。

表1 冷卻潤(rùn)滑條件

表2 切削用量條件

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 切削力試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1、2分別為在不同切削方式下主切削力與進(jìn)給量及切削速度的關(guān)系曲線。從圖1、2分別可以看出:隨著進(jìn)給量增加，主切削力逐漸增加;隨著速度的增大，主切削力逐漸減小。

圖1 主切削力與進(jìn)給 量的關(guān)系曲線

圖2 主切削力與切削 速度的關(guān)系曲線

分析試驗(yàn)結(jié)果:干切削時(shí)沒有任何的冷卻潤(rùn)滑，隨著進(jìn)給量的增加和速度的增大，刀具的切削區(qū)環(huán)境持續(xù)惡化，刀具與工件之間的摩擦也隨之加劇，從而使干切削過程中產(chǎn)生較大的主切削力;乳化液潤(rùn)滑時(shí)雖然能夠降低切削區(qū)的溫度，但是切削區(qū)內(nèi)的高壓使得低壓下的乳化液很難滲透入切削區(qū)進(jìn)行潤(rùn)滑，從而難以有效地降低切削力;使用OoW切削液能夠顯著降低切削力，這是由于OoW切削液在壓縮空氣的強(qiáng)壓作用下以較高的速度和動(dòng)能噴出，并且霧狀油膜水滴直徑小，從而使得OoW切削液滲透能力強(qiáng)，容易滲透到切屑與刀具前刀面的交界面，在刀具與工件之間形成潤(rùn)滑膜，從而能有效地發(fā)揮冷卻潤(rùn)滑作用。切削時(shí)霧狀油膜水滴破裂，其中殘留在切削區(qū)的少量水會(huì)被加工產(chǎn)生的切削熱蒸發(fā)，起到冷卻的作用，而微量油膜起潤(rùn)滑作用，減小切屑－刀具－工件之間的摩擦因數(shù)，因而能夠明顯降低切削力。

2.2 刀具磨損試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖3為在不同切削方式下后刀面磨損形態(tài)隨時(shí)間的變化曲線。從圖3可以看出，當(dāng)后刀面磨損量達(dá)到300μm時(shí)干切削所用時(shí)間最短，OoW冷卻潤(rùn)滑切削所用時(shí)間最長(zhǎng)。

圖3 在不同切削條件下刀具后刀面磨損量隨時(shí)間的變化曲線

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果:干切削加工由于不存在冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)，在切削過程中工件與后刀面之間摩擦劇烈，切削區(qū)溫度急劇升高，金屬受熱軟化，刀具在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)入劇烈磨損階段，因此，干切削時(shí)后刀面磨損最嚴(yán)重。采用乳化液冷卻潤(rùn)滑時(shí)，乳化液能夠起到一定的冷卻作用，但潤(rùn)滑效果不明顯，及時(shí)冷卻可以使刀具硬化，減弱刀具的磨損;采用油膜附水滴冷卻潤(rùn)滑時(shí)，切削加工油膜附水滴破裂，水滴蒸發(fā)帶走切削熱起到冷卻的作用，油膜在刀具與工件之間起到潤(rùn)滑的作用，所以后刀面磨損量最小。

2.3 切屑形態(tài)試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4、5為在不同切削方式下切屑在20倍顯微鏡下的形態(tài)。通過對(duì)比圖4、5可以看出，干切時(shí)切屑形態(tài)由伴有局部發(fā)藍(lán)的暗黃色變?yōu)槿砍仕{(lán)色;采用乳化液潤(rùn)滑時(shí)切屑形態(tài)由明暗相間的黃色變?yōu)榘迭S色;采用OoW潤(rùn)滑時(shí)切屑形態(tài)由黃而明亮變?yōu)闇\黃。

圖4 在X20顯微鏡下的切屑形態(tài) (v c=100 m/min，f=0.12 mm/r，a p=0.3 mm)

圖5 在X20顯微鏡下的切屑形態(tài) (v c=120 m/min，f=0.12 mm/r，a p=0.3 mm)

分析試驗(yàn)結(jié)果:干切削時(shí)切削區(qū)溫度由于無(wú)冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)迅速升高，而切削熱主要依靠切屑帶走，因此在高溫的作用下，切屑出現(xiàn)“燒傷”現(xiàn)象，顏色呈藍(lán)色;采用乳化液冷卻潤(rùn)滑時(shí)，乳化液可以帶走部分切削熱，而由于切削區(qū)的高溫高壓作用，乳化液難以進(jìn)入切削區(qū)，從而無(wú)法充分冷卻，因此部分切削熱只能依靠切屑帶走，因此切屑呈暗黃色;采用油膜附水滴潤(rùn)滑切削時(shí)，微量油膜附水滴在高壓高速氣流的作用下能夠滲透進(jìn)入切削區(qū)，有效地對(duì)刀具和工件進(jìn)行潤(rùn)滑和冷卻，產(chǎn)生的切削熱較少，同時(shí)高速氣流可以加快刀具和工件表面的熱交換，冷卻潤(rùn)滑效果比較明顯，切屑的顏色呈黃色。

3 結(jié)論

通過比較OoW切削液與干切削、乳化液冷卻潤(rùn)滑的切削試驗(yàn)效果，可以得出如下結(jié)論:采用OoW切削液潤(rùn)滑能夠降低主切削力，降低刀具后刀面磨損，避免切屑出現(xiàn)“灼燒”現(xiàn)象。

［1］郭以偉，王愛玲，鄭智貞，等.微量油膜附水滴切削試驗(yàn)研究［J］.現(xiàn)代制造工程，2007(9):80－82.

［2］李蓉，王愛玲，鄭智貞，等.霧狀油膜水滴冷卻潤(rùn)滑加工法對(duì)車削的影響［J］.中國(guó)科技論文在線，2007(3):198－201.

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［4］姜增輝，李玉朋，呂楊.切削用量對(duì)車削Ti6A14V切削力影響的研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2013(8):95－98.

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Study of Green Machining Technology Using Oils on W ater

LIU Yongjiang，MA Guohong，DU Panpan，LIWenju，CHEN Dongjian，SUN Houzhao
(School of Mechanical and Power Engineering，North University of China，Taiyuan Shanxi030051，China)

The cutting effect of Oils on Water(OoW)was studied through comparative experiment for cutting fluid of OoW，dry cutting and emulsion.The experimental result illustrats that，as compared with dry cutting and emulsion lubrication，using of the OoW can not only lower cutting force，but also decrease the toolwear.

OoW(Oils on Water);Cutting force;Tool wear

TH117

A

1001－3881－ (2015)21－135－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2015.21.032

2014－09－20

山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (2012011046－12)

劉永姜 (1970—)，男，博士，副教授，研究方向?yàn)榫G色制造技術(shù)。E－mail:lyj70901@163.com。