柏秀芳，董 蘭，李長(zhǎng)河，張?jiān)吕?/p>

(1.青島濱海學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266555；2.青島理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島 266033)

0 引言

傳統(tǒng)銑削加工中，通常向銑削區(qū)澆注大量切削液來(lái)降低切削溫度。切削液對(duì)于冷卻、潤(rùn)滑、防銹、輔助排屑等具有一定的作用，同時(shí)對(duì)于保證加工工件的表面質(zhì)量，延長(zhǎng)刀具壽命，提高加工效率等都有很好的作用。然而，因刀具和切屑，刀具和工件接觸界面存在著很高的壓力，使得向銑削區(qū)澆注大量切削液時(shí)，能夠進(jìn)入銑削區(qū)并真正起到冷卻潤(rùn)滑作用的有效切削液僅占極小的比例，無(wú)法對(duì)銑削區(qū)進(jìn)行有效地?fù)Q熱[1]，并且大量使用切削液會(huì)使生產(chǎn)成本大大增加[2]。此外，大量使用切削液不僅對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染，還會(huì)危害人體的健康[3]。因此迫切需要開發(fā)綠色高效的冷卻潤(rùn)滑技術(shù)，以有效降低銑削溫度，提高工件表面質(zhì)量，延長(zhǎng)刀具壽命。

納米流體微量潤(rùn)滑是將一定量的納米級(jí)固體顆粒加入到可降解的微量潤(rùn)滑油中形成納米流體，通過(guò)高壓空氣將納米流體進(jìn)行霧化，并噴射到切削區(qū)的一種冷卻潤(rùn)滑方法。國(guó)外研究人員在納米流體銑削性能方面進(jìn)行了相關(guān)的研究。Park[4]發(fā)現(xiàn)用納米流體在微量潤(rùn)滑銑削中可以獲得更好的性能，尤其在切削刃的磨損方面。Sayuti[5]對(duì)航空硬鋁材料在立式銑床進(jìn)行銑削加工，用碳納米流體與傳統(tǒng)切削液相比較，發(fā)現(xiàn)切削力降低了21.99% ，表面粗糙度降低了46.32% 。Sayuti[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣流壓力為0.2MPa，納米粒子濃度較高，噴嘴角度為30°時(shí)獲得的工件表面質(zhì)量最好，而當(dāng)氣流壓力較高，納米粒子濃度較低，噴嘴角度為15°時(shí)獲得的切削溫度最低。Marcon[7]等制備了石墨-水納米流體，并用于工件微量潤(rùn)滑銑削中，結(jié)果表明納米流體微量潤(rùn)滑相對(duì)于干切削，可以明顯減小切削力，提高工件表面質(zhì)量。Rahmati[8]通過(guò)銑削實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用MoS2納米流體時(shí)，工件的表面質(zhì)量提高。Rahmati[9]發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氣流壓力為0.4MPa，礦物油中納米顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%，噴嘴角度為30°時(shí)，切削溫度最低。但最好的表面質(zhì)量卻是在噴嘴角度為60°時(shí)獲得。Najiha[10]研究了在用水基TiO2納米流體銑削鋁合金時(shí)切削參數(shù)對(duì)磨損機(jī)理的影響。Hadi[11]研究了γ-AL2O3納米粒子對(duì)AISI D3不銹鋼工件的銑削性能影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)植物油基中納米粒子體積分?jǐn)?shù)為2%時(shí)，表面粗糙度比純微量潤(rùn)滑液降低了0.5mm，提高了25%。目前國(guó)內(nèi)在微量潤(rùn)滑銑削方面主要集中在低溫冷卻微量潤(rùn)滑研究，納米流體微量潤(rùn)滑銑削還未見相關(guān)研究報(bào)道。本文在干式、澆注式、微量潤(rùn)滑、納米流體微量潤(rùn)滑四種工況下，分別從銑削力，銑削溫度和表面粗糙度方面進(jìn)行銑削性能研究。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)是在加工中心上進(jìn)行，納米流體輸送裝置采用KS-2106 油氣微量潤(rùn)滑裝置; 測(cè)力儀采用JR-YDCL-III05B 壓電式三向測(cè)力儀; 采用SC6C觸針式表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量工件表面粗糙度，采用熱力偶測(cè)溫度。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

(a)銑削裝置 (b)微量供油裝置圖1 實(shí)驗(yàn)裝置

1.2 實(shí)驗(yàn)材料及條件

銑削加工工件采用45鋼，規(guī)格尺寸為100×65×60。微量潤(rùn)滑基油采用棕櫚油，納米粒子采用直徑 70nm 的 AL2O3納米粒子。表1 列舉了棕櫚油的基本性質(zhì)。

表1 棕櫚油的基本性質(zhì)

其他實(shí)驗(yàn)條件如表2。

表2 切削參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 切削力對(duì)比

圖2 銑削力示意圖

銑削時(shí)每個(gè)工作刀齒都受切削力，銑刀總切削力應(yīng)是各刀齒所受切削力之和。由于銑削過(guò)程是斷續(xù)的，并且每個(gè)工作刀齒的切削位置和切削面積隨時(shí)在變化。銑削加工中，作用在銑削刃前后刀面的切向力Ft，徑向力Fr及軸向力，如圖2所示。

為便于分析，假定銑刀總切削力F作用在某個(gè)刀齒上，并將F分解3個(gè)互相垂直的分力Fx,Fy,Fz。把Ft和Fr和軸向力向x,y和z三個(gè)方向分解，則可以得到Fx,Fy和Fz三個(gè)方向的銑削分力，此三個(gè)分力可由測(cè)力儀測(cè)得，采樣圖形如圖3所示。

圖3 銑削力采樣圖形

圖3為納米流體微量潤(rùn)滑條件下切削力隨時(shí)間的變化趨勢(shì)，圖中反映了每一時(shí)刻切削力的變化數(shù)值。銑削為斷續(xù)切削過(guò)程，刀齒切入和切出工件的時(shí)間段為一個(gè)周期。從圖中可以看出，三個(gè)方向的銑削力在一個(gè)周期里從最小增加到最大，隨后又從最大減小為最小。然后由正到負(fù)進(jìn)行變化，其絕對(duì)值先增大后減小。其中，F(xiàn)x和Fy的值較大。其他三種潤(rùn)滑方式變化趨勢(shì)與納米流體微量潤(rùn)滑的變化趨勢(shì)相同。在兩個(gè)銑削周期之間，如果沒有刀齒參與切削并且不存在振動(dòng)時(shí)，銑削力為零。

銑削力在一個(gè)刀齒切削周期中，都有個(gè)最大值，定義Fxmax，F(xiàn)ymax,Fzmax為一次走刀時(shí)間中每個(gè)銑削周期最大值的平均值。即：

(1)

由式(1)計(jì)算所得的四種潤(rùn)滑方式下的最大平均切削力如圖4所示。

圖4 四種工況下的切削力

由圖4可看出，澆注式銑削、微量潤(rùn)滑銑削和納米流體微量潤(rùn)滑銑削在整個(gè)加工過(guò)程中，切向力、法向力和軸向力與干銑削相比都降低了，說(shuō)明銑削過(guò)程中使用切削液可以降低銑削力。在四種工況下，納米流體微量潤(rùn)滑銑削得到的三個(gè)方向的銑削力最小，微量潤(rùn)滑得到的銑削力次之，然后是澆注式銑削，干銑削得到的銑削力最大。對(duì)于干式銑削來(lái)說(shuō)由于沒用任何切削液，其加工過(guò)程中產(chǎn)生的銑削力最高，分別為Fx=300N,Fy=221N,Fz=90N。澆注式銑削雖然借助大量的切削液帶走鐵屑，減少了摩擦，但能夠進(jìn)入切削區(qū)并真正起到潤(rùn)滑作用的有效切削液僅占極小的比例，因此切削力比干式銑削有所降低，但不是最低。微量潤(rùn)滑銑削中，雖然潤(rùn)滑液用量少，但因?yàn)槭侵参镉?，有一層油膜?rùn)滑，因此潤(rùn)滑效果比澆注式有所提高。納米流體微量潤(rùn)滑中因?yàn)镸OS2納米顆粒的潤(rùn)滑特性使銑刀與工件的摩擦力減小，再加上植物油基的油膜潤(rùn)滑，因此銑削力最小，分別為Fx=255N,Fy=179N,Fz=77N，比干式銑削分別降低了15%，19%和14%。在同樣銑削力的情況下，傳統(tǒng)澆注式銑削液用量為20～100L/min，微量潤(rùn)滑用量?jī)H為0.03～0.3L/h，因此，納米流體微量潤(rùn)滑銑削較澆注式潤(rùn)滑最大的改善就是明顯減少了切削液的用量。

2.2 溫度對(duì)比

銑削加工過(guò)程中，由于刀具和工件相互擠壓變形，消耗的能量大部分轉(zhuǎn)化為熱量聚集在銑削區(qū)，銑削區(qū)溫度過(guò)高易使工件出現(xiàn)燒傷、裂紋等現(xiàn)象。在四種工況下得到的銑削溫度如圖5所示。

圖5 四種工況下的溫度

由圖5可知，干式銑削得到的溫度最高，峰值為159.3℃，澆注式銑削得到的溫升最低，峰值為114.3℃。兩種條件下得到的溫差將近100℃，說(shuō)明澆注式銑削加工時(shí)在切削液的冷卻作用下可以顯著降低銑削區(qū)溫度。微量潤(rùn)滑銑削溫度峰值為140.1℃，比干式銑削降低了19.2℃，這主要是由于植物油的冷卻和潤(rùn)滑性能，微量潤(rùn)滑銑削溫度介于澆注式和干銑削之間，雖然沒有澆注式冷卻效果那么明顯，但也能傳遞并帶走一些熱量，達(dá)到降溫的效果。納米流體微量潤(rùn)滑銑削溫度峰值為117.8℃，納米流體微量潤(rùn)滑與微量潤(rùn)滑兩種工況下植物潤(rùn)滑油用量相同，造成銑削溫度不同的原因主要是固體納米顆粒的導(dǎo)熱能力大于液體的導(dǎo)熱能力，所以納米流體微量潤(rùn)滑得到的銑削溫度比微量潤(rùn)滑得到的銑削溫度要低。納米流體微量潤(rùn)滑的冷卻效果最接近于澆注式銑削，但卻比澆注式銑削消耗更少的切削液，而且潤(rùn)滑液為可降解、對(duì)環(huán)境和人體無(wú)害的植物油。

2.3 表面粗糙度對(duì)比

銑削過(guò)程中的潤(rùn)滑作用將直接影響表面粗糙度的大小和工件表面的質(zhì)量，在四種冷卻方式下，工件表面粗糙度如圖6所示。

(a)Ra

(b)Rz圖6 四種工況下的表面粗糙度

由圖6可知，干式銑削由于缺少冷卻液的潤(rùn)滑作用獲得的表面粗糙度值最大，表面質(zhì)量最差，所測(cè)得的Ra值為4.6μm，Rz值為20.2μm。而采用澆注式、微量潤(rùn)滑、納米流體微量潤(rùn)滑進(jìn)行銑削，表面粗糙度值都有了不同程度的下降。其中，澆注式銑削獲得的Ra值為2.9μm，Rz值為10.8，比干式銑削分別降低了37.0%和46.5%。澆注式銑削可以借助大量的切削液帶走切屑，具有高效的去屑能力，減少了由切屑造成的工件表面劃傷，因此工件表面質(zhì)量有所提高。采用微量潤(rùn)滑銑削獲得的Ra值為2.5μm，Rz值為8.1μm，比干式銑削分別降低了45.7%和59.9%，獲得了比澆注式潤(rùn)滑更好的表面質(zhì)量。這說(shuō)明雖然微量潤(rùn)滑液流量較小，但因?yàn)橹参镉驮诠ぜ偷毒咧g形成一層油膜，起到了潤(rùn)滑作用，因此獲得的表面質(zhì)量較好。而采用納米流體微量潤(rùn)滑銑削獲得的表面粗糙度最小，表面質(zhì)量最好，Ra值為2.3μm，Rz值為7.3μm，比干式潤(rùn)滑分別降低了50%和63.5%。納米流體微量潤(rùn)滑銑削獲得的表面質(zhì)量?jī)?yōu)于微量潤(rùn)滑銑削，主要是由于納米顆粒的抗磨減摩特性，減小了銑削力和摩擦，使銑削區(qū)溫度降低，保證了工件的表面質(zhì)量。納米流體微量潤(rùn)滑可以為銑削提供好的潤(rùn)滑條件，其工件質(zhì)量趕超澆注式潤(rùn)滑加工工件質(zhì)量。因此納米流體微量潤(rùn)滑可以替代澆注式成為綠色環(huán)保的銑削加工方式。

3 結(jié)論

在干式、澆注式、微量潤(rùn)滑和納米流體微量潤(rùn)滑四種工況下進(jìn)行銑削試驗(yàn)研究，并將得到的銑削力、銑削溫度和表面粗糙度進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)過(guò)初步研究得出以下結(jié)論：

(1)納米流體微量潤(rùn)滑銑削得到的三個(gè)方向的銑削力最小，微量潤(rùn)滑次之，然后是澆注式銑削，干銑削得到的銑削力最大。納米流體微量潤(rùn)滑條件下之所以得到的銑削力最小，主要是因?yàn)镸oS2納米粒子的抗磨減摩特性，使銑刀與工件的摩擦力減小，同時(shí)潤(rùn)滑液中植物油基在工件和刀具間形成一層潤(rùn)滑油膜，也降低了摩擦系數(shù)，因此銑削力最小。

(2)澆注式、微量潤(rùn)滑、納米流體微量潤(rùn)滑銑削相比干式銑削，因?yàn)榍邢饕旱睦鋮s作用，得到的溫度都有所降低，其中澆注式因?yàn)榇罅壳邢饕旱睦鋮s得到的溫度最低，納米流體微量潤(rùn)滑銑削由于固體納米粒子的導(dǎo)熱能力大于液體的導(dǎo)熱能力，所以得到的銑削溫度比微量潤(rùn)滑得到的銑削溫度要低。

(3)干式銑削獲得的表面粗糙度值最大，澆注式次之，然后是微量潤(rùn)滑，納米流體微量潤(rùn)滑銑削獲得的表面粗糙度最小，表面質(zhì)量最好，與切削力的大小比較完全呼應(yīng)。納米流體微量潤(rùn)滑獲得的表面質(zhì)量之所以優(yōu)于澆注式和微量潤(rùn)滑，主要是由于納米粒子的抗磨減摩特性和潤(rùn)滑油膜的潤(rùn)滑作用，減小了切削力和摩擦，保證了工件的表面質(zhì)量。因此，納米流體微量潤(rùn)滑可以為銑削提供更好的潤(rùn)滑條件，可以替代澆注式成為綠色環(huán)保的銑削加工方式。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 蘇宇,何寧,李亮. 低溫最小量潤(rùn)滑高速銑削鈦合金的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2010,21(22):2665-2670.

[2] S Ekinovic, H Prcanovic, E Begovic. Investigation of influence of MQL machining parameters on cutting forces during MQL turning of carbon steel St52-3[J] .Rrocescia Engineering,2015,132:608-614.

[3] M M A Khan,M A H Mithu,N R Dhar.Effects of minimum quantity lubrication on turning AISI 9310 alloy steel using vegetable oil-based cutting fluid[J].Journal of Materials Processing Technology,2009,209:5573-5583.

[4] K H Park,B Ewald,P Y Kwon.Effect of nano-enh-anced lubricant in minimum quantity lubrication balling milling[J]. J. Tribol. ,2011,133(3): 3526-3537.

[5] M Sayuti, A A D Sarhan, T Tanaka,et al. Cutting force reduction and surface quality improvement in machining of aerospace duralumin AL-2017-T4 using carbon onion nanolubrication system[J]. Int. J. Adv. Manuf.Technol., 2013,65: 1493-1500.

[6] M Sayuti,O M Erh,A A D Sarhan, et al.Investigation on themorphology of the machined surface in end milling of aerospace AL6061-T6 for novel uses of SiO2nanolubrication system[J]. Clean. Prod., 2013,66: 655-663.

[7] A Marcon,S Melkote,K Kalaitzidou,et al.An experimental evaluation of graphite nanoplatel-et based lubricant in micro-milling[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2010,59:141-144.

[8] B Rahmati, A A D Sarhan, M Sayut.Morphology of surface generated by end milling AL6061-T6 using molybdenum disulfide (MoS2) nanolubrication in end milling machining[J]. J. Clean. Prod.,2013,66: 685-691.

[9] B Rahmati, A A D Sarhan, M Sayuti. Investigati-ng the optimum molybdenum disulfide(MoS2) nanolubrication parameters in CNC milling of AL6061-T6 alloy[J]. Int. J. Adv. Manuf. Technol.,2014, 70 (5-8), 1143-1155.

[10] M S Najiha,M M Rahman,K Kadirgama. Perfor-mance of water-based TiO2nanofluid during the minimum quantity lubrication machining of aluminium alloy[J].AA6061-T6. J. Clean. Prod.,2016,135(20) :1623-1636.

[11] M Hadi,R Atefi.Effect of minimum quantity lubrication with gamma-Al2O3nanoparticles on surface roughness in milling AISI D3 steel[J]. Ind. J. Sci. Technol., 2015,8(3):296-300.

(編輯李秀敏)