羅永順， 覃孟揚(yáng)， 賀愛(ài)東， 王子媛

(1.廣東技術(shù)師范學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，廣東 廣州 510665；2. 廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510300)

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不銹鋼微量潤(rùn)滑切削溫度實(shí)驗(yàn)研究

羅永順1， 覃孟揚(yáng)1， 賀愛(ài)東2， 王子媛2

(1.廣東技術(shù)師范學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，廣東 廣州 510665；2. 廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510300)

為了解微量潤(rùn)滑對(duì)不銹鋼切削溫度的影響，通過(guò)304不銹鋼的微量潤(rùn)滑車削實(shí)驗(yàn)，利用自然熱電偶測(cè)量切削溫度，以切削深度、切削速度、進(jìn)給量為變化因素，探明不銹鋼在干切削、傳統(tǒng)潤(rùn)滑和微量潤(rùn)滑(內(nèi)噴)及微量潤(rùn)滑(外噴)切削條件下的切削溫度變化。結(jié)果顯示，切削溫度從高到低依次是：干切削、MQL(外噴)、MQL(內(nèi)噴)和傳統(tǒng)潤(rùn)滑；切削參數(shù)越小，MQL和傳統(tǒng)潤(rùn)切削滑溫度差異越小，切削速度對(duì)切削溫度的影響要大于切削深度和進(jìn)給量；MQL系統(tǒng)設(shè)置對(duì)不銹鋼切削溫度有明顯影響。

微量潤(rùn)滑； 不銹鋼； 切削溫度； 綠色加工

0 引 言

不銹鋼具有優(yōu)越的耐腐蝕性，在空氣或化學(xué)腐蝕介質(zhì)中能夠抵抗腐蝕，越來(lái)越被制造業(yè)所重視。精密及復(fù)雜零件大多數(shù)是由切削形成的，但不銹鋼材料屬于難切削金屬材料，有加工硬化嚴(yán)重，散熱慢、切削溫度高、刀具磨損快和易黏刀等問(wèn)題。在切削加工中往往需要使用大量的切削液，這對(duì)環(huán)境造成了極大的負(fù)面影響，限制了不銹鋼的應(yīng)用[1]。

微量潤(rùn)滑技術(shù)(Minimal Quantity Lubrication，MQL)是一種的極具推廣前途的綠色切削技術(shù)，它的切削液使用量為2～30 mL/h[2-3]，僅為傳統(tǒng)潤(rùn)滑方式用量的1%～2%，但加工質(zhì)量接近傳統(tǒng)潤(rùn)滑方式，環(huán)保效果優(yōu)越，因此在學(xué)術(shù)界和工程界都得到了高度關(guān)注[4-5]。其中一些學(xué)者對(duì)不銹鋼的MQL切削機(jī)理進(jìn)行了研究，Wakabayashi等[6]研究雙噴嘴 MQL 切削系統(tǒng)加工不銹鋼(HRC45)刀具—工件之間的摩擦系數(shù)、刀具磨損量和工件加工表面質(zhì)量的關(guān)系。孫浩[7]研究了微量潤(rùn)滑條件下Al2O3陶瓷刀具切削不銹鋼206的刀具磨損和工作壽命的關(guān)系。袁松梅等[8]研究了1Cr18Ni9Ti不銹鋼在MQL切削的刀具磨損和切削力的特點(diǎn)。Savas等[9]對(duì)不銹鋼的干切削和MQL的切削力進(jìn)行對(duì)比。Attanasio等[10]則通過(guò)有限元模擬不銹鋼的MQL切削的磨損機(jī)理。Marksberry等[11]研究MQL工藝參數(shù)對(duì)不銹鋼的刀具磨損和刀具壽命的影響。目前對(duì)不銹鋼MQL切削的研究主要集中在磨損機(jī)理、刀具壽命、表面粗糙度和切削力的研究上，對(duì)不銹鋼的MQL切削溫度的研究的文獻(xiàn)尚未發(fā)現(xiàn)。雖然袁松梅等[12]曾以靜態(tài)鋁片為對(duì)象，研究MQL的冷卻性能，但考慮到材料不同和動(dòng)態(tài)加工的影響，該研究設(shè)定和MQL實(shí)際加工環(huán)境差異很大，無(wú)法真實(shí)反映不銹鋼MQL的切削溫度規(guī)律。

非水相化學(xué)蒸氣發(fā)生-原子熒光光譜分析技術(shù)研究…………………………溫曉東，雷自榮，陳路瓊，胡 侃（42）

本文基于自然熱電偶測(cè)溫原理，采用304不銹鋼，以切削深度、切削速度、進(jìn)給量為變化因素，研究干切削、傳統(tǒng)潤(rùn)滑和微量潤(rùn)滑(外噴和內(nèi)噴)條件下車削溫度的差異，了解MQL對(duì)不銹鋼切削溫度的影響規(guī)律。

1 切削熱

刀具磨損時(shí)，切削過(guò)程產(chǎn)生3個(gè)熱源[13]：剪切帶熱源、刀-屑接觸面熱源和刀具-工件接觸摩擦，如圖1所示。

圖1 切削過(guò)程中的熱分布

工件加工表面及次表面任一點(diǎn)處溫度[14]為：

TM(x,z)=Tsh(x,z)+Trub(x,z)+T0

(1)

式中，第一熱源和第三熱源在工件表層及內(nèi)部任意一點(diǎn)M處引起的溫度變化分別為：

本文目的是了解不銹鋼在不同潤(rùn)滑條件下車削時(shí)，當(dāng)切削參數(shù)變化時(shí)，刀具-工件的切削溫度變化及差異。因此實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了3不同切削參數(shù)(見(jiàn)表1)，以體現(xiàn)不同參數(shù)的變化；每組實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行潤(rùn)滑條件為干切削、傳統(tǒng)潤(rùn)滑、MQL(外噴)和MQL(內(nèi)噴)的切削并測(cè)量溫度T。不同潤(rùn)滑方式和干切削的溫度差異可以體現(xiàn)為冷卻能力的差別。

(2)

(3)

從式(2)和(3)可知，引起第一熱源溫度變化的主要切削參數(shù)是切削速度和切削厚度；引起第三熱源溫度變化的主要切削參數(shù)是切削速度。切削速度與兩個(gè)熱源溫度變化成正比，因此切削速度是影響切削熱的最重要因素，次之切削厚度，進(jìn)給量通過(guò)其他參數(shù)間接影響。

另外，還可發(fā)現(xiàn)材料和工件的熱導(dǎo)率與溫升成反比，對(duì)溫升有抑制作用。

試樣采用SUS304(牌號(hào)06Cr19Ni10)不銹鋼材料，材料物理性能為：屈服強(qiáng)度310 MPa，抗拉強(qiáng)度625 MPa，延伸率45%，硬度180 HV，熱傳導(dǎo)率16.32 W/(m·K))，密度7.93 g/cm3，彈性模量193 GPa。

2 自然熱電偶車削測(cè)溫系統(tǒng)

傳統(tǒng)潤(rùn)滑采用前刀面澆注方式。MQL裝置為愛(ài)默琳公司118S標(biāo)準(zhǔn)型商用微量潤(rùn)滑霧化系統(tǒng)，空氣壓縮機(jī)供氣，氣壓為0.6 MPa；切削液采用脈沖微量供液，脈沖頻率為10 Hz(切削液約8 mL/h)。切削液噴液方式分別采用外噴和內(nèi)噴兩種方式。外噴時(shí)，噴管和刀具處于同一平面，和試樣軸線成45°；內(nèi)噴時(shí)，采用對(duì)切削第二、三變形區(qū)同時(shí)噴液方式(見(jiàn)圖3)。試樣加工狀態(tài)平穩(wěn)時(shí)，通過(guò)自制的車削自然熱電偶測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量刀-工件溫度。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖4所示。

圖2 自然熱電偶車削測(cè)溫系統(tǒng)示意圖

(4)

式中:t為切削溫度；bwt為工件-刀具的熱電特性曲線斜率；E1、E2為可測(cè)熱電動(dòng)勢(shì)；bcw為導(dǎo)線-工件的熱電特性曲線斜率；bc為刀具引出點(diǎn)測(cè)溫?zé)犭娕继匦郧€斜率；t0為室溫。

中共中央黨校(國(guó)家行政學(xué)院)教授車文輝以《生態(tài)文明視域下的鄉(xiāng)村振興》為題，重點(diǎn)闡述了鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實(shí)施過(guò)程中的生態(tài)文明建設(shè)問(wèn)題，指出了鄉(xiāng)村建設(shè)、經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)進(jìn)程中忽視生態(tài)、破壞生態(tài)的現(xiàn)象以及帶來(lái)的嚴(yán)重后果，提出生態(tài)建設(shè)、生態(tài)保護(hù)是鄉(xiāng)村振興題中應(yīng)有之義，生態(tài)文明好不好決定著鄉(xiāng)村振興的質(zhì)量。

3 實(shí)驗(yàn)部分

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

臨時(shí)供電模式是在變電站改造期間用來(lái)臨時(shí)供電的一種方式，因此，對(duì)臨時(shí)供電模式的建設(shè)相對(duì)不夠完善，電線路連接、設(shè)備連接等方面都會(huì)存在一些問(wèn)題[3]，其中，最常見(jiàn)的是引線不牢固，主要是由于變電站改造期間，施工工序復(fù)雜，對(duì)臨時(shí)供電模式的重視程度不夠，導(dǎo)致臨時(shí)供電模式的安全性不足。

交代結(jié)構(gòu)(即鈉長(zhǎng)石交代集合體)：主要由葉片狀鈉長(zhǎng)石和糖粒狀鈉長(zhǎng)石兩種組成，次有石英、針狀電氣石。葉片狀鈉長(zhǎng)石(即板柱狀、柱狀)：其粒度為0.1mm×0.1mm，最大粒度為1mm×2mm，一般為0.5mm×1mm，糖粒狀鈉長(zhǎng)石晶體大小一般為0.1mm×0.1mm。

自然熱電偶測(cè)溫原理是熱電效應(yīng)[15]。本研究的車削測(cè)溫系統(tǒng)如圖2所示,利用工件和刀具材料不同形成熱電偶的兩極，當(dāng)工件-刀具接觸區(qū)的溫度升高后,就形成了熱電偶的熱端；而工件的引出端和刀具的引出端就形成了冷端，整個(gè)回路便產(chǎn)生了溫差電動(dòng)勢(shì)。該電動(dòng)勢(shì)是熱電偶材料與冷、熱端溫度的函數(shù)。為了解決工件高速旋轉(zhuǎn)問(wèn)題,冷端電接觸采用水銀接觸法來(lái)實(shí)現(xiàn)；為了避免刀具或工件引出端因切削熱影響而造成的測(cè)量誤差, 采取溫度補(bǔ)償措施，計(jì)算公式如下：

圖3 MQL切削液內(nèi)噴方式示意圖

圖4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

e)處于邊緣的部分分塊賦予臨時(shí)標(biāo)號(hào)時(shí)需要做特殊處理，具體處理如下：分塊p0,0不需要考慮塊的左、上連通性，如果存在缺陷，則直接賦予臨時(shí)標(biāo)號(hào)1；第一行其他塊區(qū)域只需要考慮塊的左連通性；第一列其他塊區(qū)域只需要考慮塊的上連通性。

熱沖擊試驗(yàn)用于測(cè)試結(jié)構(gòu)材料或復(fù)合材料經(jīng)高溫及低溫的連續(xù)環(huán)境下因熱脹冷縮所引起的化學(xué)變化或物理變化。若結(jié)合強(qiáng)度較差，在動(dòng)態(tài)熱循環(huán)載荷下涂層易出現(xiàn)剝落，因此在實(shí)際中應(yīng)選擇膨脹系數(shù)較為匹配的材料，以減小界面處的熱應(yīng)力并提高涂層的抗熱震性能，實(shí)際應(yīng)用中可通過(guò)采用一層或多層過(guò)渡層來(lái)減小膨脹系數(shù)梯度。陳孟成等[40]對(duì)采用電子束物理氣相沉積制備進(jìn)行的MCrAlY熱障涂層進(jìn)行高溫?zé)釠_擊試驗(yàn)，表明涂層具有較好的熱穩(wěn)定性。

表1 切削方案

4 結(jié)果和討論

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5～7。結(jié)果顯示，切削溫度從高到低依次是：干切削、MQL(外噴)、MQL(內(nèi)噴)和傳統(tǒng)潤(rùn)滑。不銹鋼由于材料的特性，切削過(guò)程容易發(fā)熱，切削溫度高，但由于不銹鋼熱傳導(dǎo)度低，切削熱不容易通過(guò)工件和切屑帶走，切削液在工件和切屑外表面帶走的熱量有限，所以切削液對(duì)產(chǎn)生熱量的區(qū)域進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑就顯得很重要了。MQL混合物具有較強(qiáng)的滲透性和附在力，通過(guò)壓縮氣體的直噴作用，可以直達(dá)刀具-切屑及刀具-工件深處，形成邊界潤(rùn)滑油膜，減少摩擦，從而減少生熱；同時(shí)還通過(guò)切削液微粒的相變汽化吸熱，達(dá)到降低切削溫度的效果。所以MQL混合物中切削液雖然少，也可以到達(dá)一個(gè)良好的降溫效果。由于氣體直噴作用受刀具及切屑的阻礙，MQL(外噴)僅僅能對(duì)切削第二變形區(qū)進(jìn)行冷卻，而無(wú)法對(duì)第三變形區(qū)產(chǎn)生影響；而MQL(內(nèi)噴)則可以同時(shí)對(duì)第二及第三變形區(qū)進(jìn)行潤(rùn)滑冷卻，所以切削溫度要低于MQL(外噴)。

通過(guò)快速標(biāo)定裝置獲得各材料的熱電特性曲線及斜率，再測(cè)出E1、E2，然后根據(jù)公式算出切削溫度t。

圖5 切削速度和切削溫度的關(guān)系

圖6 切削深度和切削溫度的關(guān)系

圖7 進(jìn)給量和切削溫度的關(guān)系

傳統(tǒng)潤(rùn)滑方式的冷卻機(jī)理是切削液在刀具-切屑及刀具-工件接觸面形成邊界潤(rùn)滑油膜，減少摩擦生熱；同時(shí)和刀具、工件和切屑的換熱帶走熱量。雖然傳統(tǒng)潤(rùn)滑沒(méi)有MQL那么突出的滲透性和附在力，但其流量大、流速慢，沒(méi)有方向性限制，可以對(duì)切削變形區(qū)形成全方位的包圍冷卻，同時(shí)液體的熱傳導(dǎo)率要高于空氣，所以在切削的高速運(yùn)動(dòng)環(huán)境中，傳統(tǒng)潤(rùn)滑的綜合冷卻能力大，切削溫度要低于MQL。

圖5顯示隨著切削速度的增加，所有試樣溫度增加，MQL受切削速度的影響要大于傳統(tǒng)潤(rùn)滑。在低速條件下，MQL的滲透性和附在力達(dá)到了最大的效果，切削變形區(qū)的切削熱被極大程度上抑制，MQL(內(nèi)噴)的溫度甚至比傳統(tǒng)潤(rùn)滑還要低。在高速時(shí)，MQL(外噴)和MQL(內(nèi)噴)的溫度增長(zhǎng)率要大于干切削，這是因?yàn)楣ぜ咚俎D(zhuǎn)動(dòng)降低了MQL滲透性，同時(shí)在高速高溫條件下，邊界潤(rùn)滑油膜容易被破壞。而傳統(tǒng)潤(rùn)滑雖然溫度隨切削速度增加而增加，但其冷卻效果也是隨切削速度增加而增大，這是因?yàn)閭鹘y(tǒng)潤(rùn)滑的降溫機(jī)理不隨切削速度降低，反而隨切削溫度的增加而得到更大的發(fā)揮。

圖6、7顯示在切削速度相同條件下，小切削深度/進(jìn)給量的時(shí)候，MQL(外噴)和MQL(內(nèi)噴)溫度和傳統(tǒng)潤(rùn)滑接近，隨著切削深度/進(jìn)給量的增加，兩者溫度越來(lái)越大于傳統(tǒng)潤(rùn)滑。原因在于切削深度/進(jìn)給量的增加會(huì)降低滲透性、附在力和潤(rùn)滑油膜形成外，切屑的厚度/寬度的增加會(huì)對(duì)MQL的直噴造成干擾，降低其冷卻能力。整體看，切削深度/進(jìn)給量對(duì)MQL溫度的影響沒(méi)有切削速度大。結(jié)論與式(2)和(3)吻合。

綜合上述，MQL對(duì)切削溫度的影響受切削參數(shù)影響很大，小切削參數(shù)的情況下其冷卻能力發(fā)揮較好，切削溫度和傳統(tǒng)潤(rùn)滑接近；大切削參數(shù)則會(huì)降低其冷卻能力。MQL冷卻能力要低于傳統(tǒng)潤(rùn)滑方式，所以MQL的優(yōu)點(diǎn)是環(huán)保省油，而不是強(qiáng)冷卻能力。由外噴和內(nèi)噴的溫度差異說(shuō)明MQL系統(tǒng)設(shè)置對(duì)切削溫度的也有很大影響，可對(duì)MQL氣體溫度、切削液用量、噴射角度及噴射距離等對(duì)切削溫度的影響作下一步的研究。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)當(dāng)其他切削條件相同時(shí)，不銹鋼切削溫度從高到低依次為干切削、MQL(外噴)、MQL(內(nèi)噴)和傳統(tǒng)潤(rùn)滑。

(2)MQL冷卻能力受切削參數(shù)影響，切削參數(shù)越小，MQL和傳統(tǒng)潤(rùn)切削滑溫度差異越小，其中切削速度對(duì)切削溫度的影響要大于切削深度和進(jìn)給量。

南非傳統(tǒng)領(lǐng)導(dǎo)人大會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)Aaron Martin Messalar先生非常認(rèn)同劉鴻武教授的觀點(diǎn)，他認(rèn)為社區(qū)是建立在文化實(shí)踐的基礎(chǔ)上的，文化是社區(qū)的基石，在一個(gè)社區(qū)內(nèi)人們必須理解它的獨(dú)特文化。他提出現(xiàn)存的文化遺產(chǎn)包括地方知識(shí)系統(tǒng)、口述歷史等方面，在現(xiàn)代社區(qū)中，文化影響著人們的價(jià)值觀、生活方式等，因此，從祖先那里傳承下來(lái)的共同的文化遺產(chǎn)，對(duì)于一個(gè)國(guó)家和地區(qū)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。最后，他分析了非洲發(fā)展的歷史，認(rèn)為由于道德上的墮落、經(jīng)濟(jì)上的貧窮，文化正在遭受破壞、文化遺產(chǎn)的保護(hù)和傳承面臨著嚴(yán)峻的形勢(shì)，因此更應(yīng)該重視社區(qū)文化遺產(chǎn)的保護(hù)。

(3)MQL系統(tǒng)設(shè)置對(duì)不銹鋼切削溫度有明顯影響，微量潤(rùn)滑內(nèi)噴方式的切削溫度要低于外噴方式。

[1] 肖紀(jì)美.不銹鋼的金屬學(xué)問(wèn)題[M]. 2版. 北京：冶金工業(yè)出版社，2006：45-46.

[2] Aoyama T, Kakinuma Y, Yamashita M,etal. Development of a new lean lubrication system for near dry machining process[J]. Advanced Manufacturing Technology, 2008, 57(1): 125-128.

[3] Tadeusz Leppert, Ru Lin Peng. Residual stresses in surface layer after dry and MQL turning of AISI 316L steel[J]. Production Engineering, 2012, 6(4-5): 367-374.

[4] Itoigawa F, Childs T H C, Nakamura T,etal.Effects and mechanisms in minimal quantity lubrication machining of an aluminum alloy[J]. Wear, 2006, 260(7): 339-344.

[5] Qi Baoyuan, He Ning, Li Liang,etal. Cryognic Minimum Quantity Lubrication Technology and its Action Mechanism[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineer, 2010, 29(6): 826-835.

[6] Wakayashi T, Sato H Inaski. Turing usingextremely amount of cuttingfluids[J].JSME Intemational Joumal, Series C, 1998, 41(1): 143-148.

[7] 孫 浩.微量潤(rùn)滑條件下Al2O3陶瓷刀具的切削試驗(yàn)研究[D]. 濟(jì)南：齊魯工業(yè)大學(xué)，2014.

[8] 袁松梅, 劉 思, 嚴(yán)魯濤. 低溫微量潤(rùn)滑技術(shù)在幾種典型難加工材料加工中的應(yīng)用[J]. 航空制造技術(shù), 2011(14): 45-47.

[9] Savas TUM I S, 徐俠凱. 奧氏體不銹鋼在干切削和微量潤(rùn)滑條件下的切削力的研究[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù), 2009(5): 25-29.

[10] Attanasio A, Gelfi M, Giardini C,etal. Minimal quantity lubrication in turning: effect on tool wear[J]. Wear，2013，260 (3)：333-338.

[11] Marksberry P W, Jawahir I S. A comprehensive tool-wear/tool-life performance model in the evaluation of NDM (near dry machining) for sustainable manufacturing[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2012, 48(7-8)：878-886.

[12] 袁松梅,劉曉旭,嚴(yán)魯濤.微量潤(rùn)滑系統(tǒng)冷卻性能實(shí)驗(yàn)研究[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2008(11):56-58.

[13] 周澤華. 金屬切削原理[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，1992: 80-83.

[14] 楊鴻志，王學(xué)林，胡于進(jìn).304不銹鋼切削加工溫度分布建模與分析.[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2014(9)：90-94.

[15] 何振威，全燕鳴，林金萍. 高速切削中切削溫度研究方法[J].現(xiàn)代制造工程，2008(8)：110-113.

Experimental Study on Cutting Temperature of Stainless Steel with Minimal Quantity Lubrication

LUOYong-shun1，QINMeng-yang1，HEAi-dong2，WANGZi-yuan2

(1. College of Electromechanical Engineering, Guangdong Polytechnic Normal University, Guangzhou 510665, China;2. Guangdong Industry Technical College，Guangzhou 510300, China)

In order to understand cutting temperature of stainless steel with minimal quantity lubrication (MQL), a turning experiment in which variables were cutting depth, cutting speed and feed rate was completed. With natural thermocouple, the cutting temperatures of stainless steels were obtained under conditions of dry cutting, traditional lubricity and MQL (inner jet spray)and MQL(outer jet spray). Experimental results showed that cutting temperature descending order was dry machining, MQL (external spraying), MQL (internal spraying) and traditional lubrication; the smaller the cutting parameters, the smaller difference between cutting temperatures of MQL and traditional lubrication. The cutting speed had greater impact on cutting temperature than cutting depth and feed rate; MQL system settings had also affect on cutting temperature of stainless steel.

minimal quantity lubrication (MQL); stainless steel; cutting temperature; green manufacture

2015-04-13

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50875089)；廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(S2013010011882)

羅永順(1973-)，女，廣東韶關(guān)人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)及其質(zhì)量控制。

TG 501.1

A

1006-7167(2016)02-0045-04

Tel.：13312890664；E-mial:1239568097@qq.com