倪 敬 陳燁波 蒙 臻 馮國棟 許 靜

杭州電子科技大學機械工程學院，杭州，310018

0 引言

金屬帶鋸鋸切過程中的鋸齒潤滑冷卻特性是影響加工精度和效率的主要因素。傳統(tǒng)切削液在減小鋸齒、工件和切屑三者之間的摩擦和降低溫度等方面具有很好的效果［1］，但傳統(tǒng)切削液（水基或油基切削液）化學成分中的有害物質Cl、P、S等，會對人體和周圍環(huán)境造成不同程度的危害，且施加過程消耗大量切削液，大大增加了切削液的處理和回收成本。

在綠色切削液技術研究方面，微量潤滑（minimal quantity lubrication，MQL）技術以其高效的潤滑冷卻和綠色節(jié)能的特點，日漸成為國內外學者所關注的焦點之一。GODLEVSKI等［2］在文獻［3］的基礎上分析了切削液進入切削區(qū)的機理；OBIKAWA等［4］認為高壓空氣促進了切削液進入切削區(qū)域，因此MQL技術相比傳統(tǒng)潤滑更能減小刀具磨損；BANERJEE等［5］利用有限元分析軟件，研究了MQL對摩擦特性的影響；WANG等［6］對比分析了干切削和MQL技術對銑削鉻鎳鐵合金的影響；ZHANG等［7］詳細分析了4種潤滑條件下，磨削45鋼制工件的潤滑效果；TASDELEN等［8］研究了3種潤滑條件（MQL、壓縮空氣、乳化液）對鉆削性能的影響，主要分析了磨損、切屑接觸情況、切削力、轉矩、表面粗糙度等與潤滑條件的關系；PEREIRA等［9］將低溫冷卻技術與MQL技術結合用于車削美制304鋼中，相比于干切削可提高刀具壽命（50%）和切削速度（30%）；GIASIN等［10］研究了鉆削GLARE纖維金屬層壓制品時采用低溫冷卻技術和MQL技術的影響；TAZEHKANDI等［11］研究了切削液的霧化與液氮結合的潤滑方式對加工鉻鎳鐵合金的影響；SABERI等［12］通過數(shù)值模擬MQL技術的傳熱機制，認為MQL技術在冷卻作用上存在缺陷。上述文獻所述的研究內容主要應用于車削、銑削和鉆削等工藝，這些切削工藝中切削液可直接作用于切削加工區(qū)域。金屬帶鋸鋸切過程因其特殊的薄板形刀具和狹小的鋸縫（鋸切形成的切削縫隙），切削液不易直接作用于鋸齒前后刀面，只能依靠切削液液滴在鋸齒上的黏附特性，間接進入切削加工區(qū)域?；阡徢泄に嚨奶厥庑裕琈QL技術對金屬帶鋸鋸切性能的影響亟待進一步研究。

本文為了探索新型金屬帶鋸綠色鋸切工藝，即超聲水霧作用對鋸切負載的影響，設計了基于超聲水霧直噴式的帶鋸鋸切微量潤滑系統(tǒng)，并通過不同冷卻潤滑條件（干切削和沖刷切削）下的鋸切負載特性對比，詳細研究了超聲水霧作用對鋸切負載的影響。

1 實驗研究

1.1 實驗設備及測量裝置

如圖1所示，超聲水霧直噴式微量潤滑實驗系統(tǒng)由金屬帶鋸床、超聲水霧直噴系統(tǒng)、夾具系統(tǒng)和鋸切負載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成。

（1）金屬帶鋸床為晨龍G4230/50雙柱式臥式帶鋸床，其主電機功率為3 kW，鋸帶輪直徑為450 mm，兩鋸帶輪中心距為1 380 mm，帶鋸線速度vc最大為70 m/min，鋸切進給速度vf最大為5 mm/min。

（2）超聲水霧直噴系統(tǒng)由振蕩電路、陶瓷霧化片、海綿棒、儲水箱以及安裝支架等組成。系統(tǒng)主要通過振蕩電路（振蕩頻率為1.7 MHz）使陶瓷霧化片產生高頻諧振，從而將水基切削液霧化為1～5μm的微小液粒，噴射流量為0.15～0.25 mL/min。該系統(tǒng)通過安裝支架固定于帶鋸條正下方，噴霧口直接對準鋸齒刀刃。

圖1 實驗系統(tǒng)Fig.1 Experimental system

（3）鋸切負載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由工件夾具、Kistler?9119A三向力傳感器（量程±2 kN）、Kistler?5080A多通道電荷放大器、Kistler?5679A數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（最高采樣頻率為5 kHz）以及Dynoware軟件組成。其中工件夾具安裝在三向力傳感器上，并固定于帶鋸床工作臺，用于采集鋸切三向鋸切負載Fx、Fy和Fz（Fx表示主切削力，F(xiàn)y表示鋸條側面振動對工件產生的作用力，F(xiàn)z表示進給力）。

1.2 實驗材料

鋸切實驗刀具采用Wists M 42型3/4TPI雙金屬帶鋸條，其中基帶材料為B318，鋸齒材料為M42，鋸齒硬度為HRC67-69。鋸條具體尺寸：寬34 mm，厚1.1 mm，總長4 350 mm。實驗工件為長方體形的碳素鋼Q235，具體尺寸為25 mm×70 mm×50 mm（長×寬×高）。實驗所用切削液為普通生活用水。

1.3 實驗方案

實驗依次在干切削、沖刷和超聲水霧直噴3種潤滑條件下進行。實驗參數(shù)見表1。實驗過程考慮鋸切負載的低頻特性（0～100 Hz），同時兼顧減少高頻信號干擾，鋸切負載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的采樣頻率選取為2 kHz。

表1 實驗參數(shù)設計Tab.1 Design of experimental parameters

2 實驗結果

通過10次鋸切實驗，獲得了重復性較好的實驗結果。

2.1 3種潤滑條件下的鋸切負載Fx

帶鋸線速度vc=30 m/min、鋸切進給速度vf=1 mm/min時3種潤滑條件下的主切削力（鋸切負載）見圖2，可以看出，3種潤滑條件下Fx的變化趨勢相近，但超聲水霧潤滑條件下的Fx無論是最大值還是均值都是最小的。

圖2 3種潤滑條件下的主切削力F xFig.2 The main cutting force F x under three lubrication conditions

圖3 為3種潤滑條件下鋸切負載數(shù)據(jù)在采樣時間10 s（20 000個數(shù)據(jù)）內的統(tǒng)計直方圖，橫軸為Fx，采用等組距分組將數(shù)據(jù)分為10組，組距為40 N。縱軸為Fx在采樣的20 000個數(shù)據(jù)內出現(xiàn)的次數(shù)。從圖3中可以看出，3種潤滑條件下主切削力數(shù)值分布均服從正態(tài)分布，干切削、沖刷和超聲水霧作用下的主切屑力Fx的均值分別約為241 N、166 N和114 N，方差分別為26.2 N、26.2 N和27.3 N?？梢姡曀F作用下鋸切主切削力Fx的均值最小，為干切削作用時Fx均值的53%，沖刷作用時Fx均值的31%。從主切削力方差數(shù)值對比也可以看出，3種潤滑方式下主切削力的波動情況較為一致。

圖3 3種潤滑條件下的主切削力F x的概率分布Fig.3 Probability distribution of the main cutting force Fx under three lubrication conditions

2.2 3種潤滑條件下的切屑形態(tài)

3種潤滑條件下的鋸切切屑形態(tài)見圖4。對比3種鋸屑形態(tài)，可得：①干切削作用下切屑的最大螺旋曲率半徑約500μm，其圈數(shù)不到1.25，且邊緣存在明顯的毛刺；②沖刷作用下切屑的最大螺旋曲率半徑約400μm，其圈數(shù)達到1.5，且邊緣沒有明顯的毛刺；③超聲水霧作用下切屑的最大螺旋曲率半徑約300μm，其圈數(shù)大于2，且邊緣沒有明顯的毛刺。

圖4 3種潤滑方式下的鋸切切屑形態(tài)Fig.4 Chip shape under three lubrication conditions

3 實驗結果討論

3.1 超聲水霧的潤濕增強作用

為了研究切削液在沖刷和超聲水霧施加方式下對鋸齒材料表面的潤濕效果，采用基恩士高速攝像儀（主機型號VW-9000，鏡頭型號VHZ50L），對兩種施加方式下切削液液滴對鋸齒材料表面的潤濕效果進行了拍攝和測量，鏡頭放大倍數(shù)為500，視場為640μm×480μm，拍攝幀率為每秒1 000幀。

（1）超聲水霧作用下切削液液滴在鋸齒材料表面的形成過程見圖5，完成一顆約5μL大小的液滴全程約5 ms，依次經(jīng)由約5μm小液滴附著、增多、連通擴大和匯集成大液滴的潤濕過程。這種潤濕過程可以稱之為“微觀潤濕”過程，但是，在沖刷作用下卻沒有此現(xiàn)象出現(xiàn)。

圖5 超聲水霧作用下的液滴形成過程Fig.5 Droplet formation process under ultrasonic atomization

（2）觀察沖刷和超聲水霧作用下附著的切削液液滴，見圖6。超聲水霧作用下液滴與帶鋸接觸表面存在微米級的小氣泡，這些微小氣泡正是鋸齒材料表面沒有被液滴充分微觀潤濕的體現(xiàn)，而包含這些微小氣泡的區(qū)域稱為微觀未充分潤濕區(qū)域，無氣泡區(qū)域為微觀充分潤濕區(qū)域；而沖刷作用下鋸齒材料表面僅有宏觀潤濕現(xiàn)象，并沒有微觀潤濕現(xiàn)象。

圖6 兩種潤滑方式下形成的液滴內部的情況Fig.6 The internal situation of the droplets under two lubrication conditions

（3）觀察沖刷和超聲水霧作用下鋸齒材料表面形成的相同體積（5μL）大小的切削液液滴，見圖7，沖刷作用形成的液滴與帶鋸表面的潤濕角θ1=70°，超聲水霧作用形成的液滴與帶鋸表面的潤濕角θ2=40°。

圖7 兩種施加方式下附著液滴的潤濕角Fig.7 Wetting angle of the droplets under two lubrication conditions

以上觀察結果表明：沖刷作用下，液滴對鋸齒材料表面的潤濕過程相當于液滴與固-氣復合表面的潤濕作用；超聲水霧作用下液滴對鋸齒材料表面的潤濕過程發(fā)生了改變，即超聲水霧產生的微米級小液滴，易進入鋸齒材料粗糙表面的亞毫米和微米級凹坑，使后續(xù)液滴的潤濕過程由液滴與固-氣表面作用向液滴與固-液復合表面作用轉變，從而使得附著潤濕角減小。液體的潤濕性是指液體在固體表面的鋪展或聚集的能力，一般通過測量潤濕角來反映液體在固體表面的潤濕性，潤濕角越小表明液體對固體的潤濕程度越高［13］。實驗顯示超聲水霧作用下在鋸齒材料表面形成的液滴具有更小的潤濕角，因此超聲水霧作用下液滴對鋸齒表面具有更好的潤濕效果［14-15］。

3.2 超聲水霧作用對鋸切負載的影響

根據(jù)圖2、圖3，超聲水霧作用比沖刷作用能更有效地減小主切削力Fx。究其原因主要有：

（1）根據(jù)上文分析，超聲水霧作用下附著在鋸齒表面的液滴具有更小的潤濕角，即具有更好的潤濕性。切削液在超聲水霧作用下的潤濕性越好，在鋸齒材料表面形成的潤滑膜越厚，這有利于減少切屑與鋸齒表面直接接觸，減小切屑與鋸齒表面之間的摩擦因數(shù)，進而減小主切削力Fx。

（2）根據(jù)上文分析，超聲水霧作用下的液滴與鋸齒材料接觸表面存在較大氣泡。氣泡的存在會對液體的黏度和密度產生影響。根據(jù)Einstein給出的混合物黏性公式：

混合物的密度公式：

可求得液體的動力黏度ν：

式中，μ、μ1分別為混合溶液和液體的黏性系數(shù)，Pa·s；φ為溶質（此處代表氣泡）的濃度，mol/L；ρ、ρ1分別為混合溶液和液體的密度，kg/m3。

根據(jù)式（1）～式（3），當液滴中混入小氣泡后，混合液體的黏性系數(shù)μ增大而密度ρ減小，因此，混合液體的動力黏度ν也隨之增大，即液滴的黏性系數(shù)增大了。正是由于超聲水霧作用下切削液液滴黏度的增大，使得液滴在固體表面形成更穩(wěn)定的潤滑膜［16］，從而具有了更好的潤滑效果，起到了減小Fx的作用［17-19］。

（3）超聲水霧作用下切削液液滴潤濕性和黏度特性的改變，使得霧化切削液具有更好的潤滑作用，減小了鋸齒與工件之間的摩擦［20-21］。這也驗證了文獻［22］的分析，如圖7所示，隨著鋸齒與鋸屑之間摩擦因數(shù)的減小，切屑在鋸齒前刀面上彎曲半徑減小，從干切削的1.25圈增加到大于2圈。

4 結論

（1）超聲水霧作用下切削液液滴對鋸齒材料表面具有更好的潤濕效果。

（2）超聲水霧作用下切削液相比沖刷作用，能夠更有效減小主切削力，且切削液消耗量更小，僅為沖刷作用消耗量的10%。

（3）相比沖刷作用，超聲水霧作用下切削液液滴對鋸齒材料表面的潤滑效果更好，形成的切屑具有更小的曲率半徑，僅為300μm。