倪 敬 劉曉帆 何利華 蒙 臻

杭州電子科技大學機械工程學院,杭州,310018

0 引言

拉削加工是一種采用一把刀具一次性完成零部件粗加工、半精加工和精加工過程的高效加工方式，已廣泛應用于航空航天、模具和汽車等行業(yè)。然而，拉削加工過程也因其單次拉削負載較大(超過10 kN)，刀-工-屑的接觸區(qū)域溫度較高，故在加工過程中通常都會向加工區(qū)域施加切削液，以減少摩擦磨損，提高加工質量。目前，工業(yè)用切削液多以礦物油為主要成分，并加入潤濕劑、極壓添加劑等，但該類切削液具有一定的毒性，在使用中會危害操作工人的身體，后續(xù)的處理也會污染環(huán)境。植物油因具有低毒性、環(huán)境友好性及良好的生物可降解性等優(yōu)點，成為了拉削加工中切削液的重要基礎成分[1]。BELLUCO等[2-4]在AISI 316L不銹鋼試樣上進行了不同切削液的鉆孔、鉸孔和攻絲試驗，結果表明：相比于礦物油切削液，植物油切削液同樣可減小切削負載，減少刀具表面的積屑瘤產(chǎn)生，從而提高零件精度；同樣與礦物油相比，菜籽油與合成脂普通混合并添加硫和磷的切削液可使刀具壽命延長177%，切削軸向力減小7%。XAVIOR等[5]將椰子油應用于AISI 304加工，他們發(fā)現(xiàn)與礦物油相比，椰子油可提高工件表面質量，減少刀具磨損。SARIKAYA等[6]使用礦物油、合成油和植物油車削Haynes 25合金時觀察到，植物油的冷卻和潤滑作用更能減少刀具磨損，進而提高工件表面質量。

近20年來，國內(nèi)外學者還在綠色切削液的施加微量化和納米顆粒功能強化方面開展了相關的研究工作。BURTON等[7]將水基植物油切削液經(jīng)超聲霧化后應用于Al6061和1018鋼的銑削加工，實驗結果表明，該切削液可減小切削力、切屑厚度以及減少毛刺量，與工業(yè)切削液具有相同的作用。UYSAL等[8]比較了澆注潤滑和微量潤滑下，工業(yè)用植物油對切削AISI 420的影響，研究結果表明，微量潤滑可明顯降低刀具磨損和表面粗糙度。楊磊[9]將玉米油、蓖麻油和植物油2000分別采用微量潤滑方式車削18Cr2Ni4WA，研究結果表明，植物油2000在較大加工速度下減小切削力和表面粗糙度的效果最佳，且上述3種植物油均可增大相同低速切削參數(shù)下的干切削共振頻率，其中植物油2000的增幅最大。目前綠色切削液的研究開始向環(huán)保型添加劑、微納粒子方向發(fā)展[10-13]。在固體納米粒子方面，常用的有石墨(包括石墨烯、碳納米管、C60等)、二硫化鉬(MoS2)、氧化鋁(Al2O3)、金剛石等，上述材料可增強切削液的導熱性，進而提高潤滑冷卻效果[14-19]。

然而，上述研究一方面大多聚焦在切削液綠色成分和添加劑的潤滑作用上，關于切削液對加工過程的降載及振動抑制和“粘屑”問題關注得不夠；另一方面，關于綠色切削液及其霧化施加在切削負載較小的車、銑、鉆、鉸和磨等應用中的報道較多，而對于負載較大的拉削加工，相關的研究報道較少。為研究適用于拉削加工的綠色植物油基切削液，本文采用超聲振動攪拌方式，將蓖麻油、活化劑和納米石墨作為添加劑并與純凈水進行混合制備切削液，采用霧化噴射方式，將切削液施加到拉削加工過程中，并對拉削加工性能進行了試驗研究與分析。

1 試驗方法和試驗方案

1.1 拉削試驗系統(tǒng)

如圖1所示，具體試驗系統(tǒng)使用臥式內(nèi)孔拉床(LG612YA—800)，其額定拉削負載為20 kN，最大拉削行程為800 mm，額定拉削速度v為80 mm/s，主液壓缸參數(shù)(外徑×內(nèi)徑×活塞行程)為φ80 mm×φ45 mm×800 mm，液壓系統(tǒng)額定油壓為6 MPa，額定流量為100 L/min。

圖1 拉削試驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of broaching testing system

試驗系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分主要由力傳感器和數(shù)據(jù)采集儀組成。力傳感器由4個壓力傳感器CTY204和1個放大板組成。對于每個壓力傳感器，其輸出電壓為0～10 V，最大負載為2 000 kg，靈敏度(輸出量/輸入量)為2 mV/V，精度為0.1%(滿量程)，頻率響應為50 Hz。使用采集分析軟件(CIONV DASP V10)和數(shù)據(jù)采集儀(INV3018CT)對拉削負載信號進行采樣，采樣頻率為1 024 Hz，采樣精度為24 bit。

試驗系統(tǒng)的切削液霧化噴射裝置為TZ-2232-ASPP數(shù)顯噴霧泵，其最大儲存量為3 L；裝置工作時，使用壓力為6 MPa的穩(wěn)定氣壓，將切削液霧化并噴射至拉削加工的刀齒上，具體噴射流量為16 mL/min;霧化裝置的噴嘴距刀具的距離ld=40 mm，傾角θ=45°。

1.2 拉削刀具與工件

圖2 拉削刀具及工件示意圖Fig.2 Schematic diagram of broach tool and workpiece

如圖2所示，試驗使用的拉刀材料為高速鋼6542(W6Mo5Cr4V2)。拉刀總長L=600 mm，寬度b=16 mm，前端高h1=35.10 mm，后端高h50=36.75 mm。拉刀表面排布50個刀齒，每個刀齒的前角γ0=12°，后角α0=6°，刀齒間距p=6 mm。根據(jù)齒升量δi的大小,可將全部刀齒分為粗拉加工區(qū)、半精拉加工區(qū)、精拉加工區(qū)三部分。各區(qū)的刀齒數(shù)分別為：粗拉區(qū)nR=40，半精拉區(qū)nS=5，精拉區(qū)nF=5。粗拉區(qū)和半精拉區(qū)刀齒后刀面開設均布的等寬等深分屑槽，且相鄰兩個的刀齒上開設交替變化的3個與4個分屑槽。

試驗采用的工件是一個圓柱形套子，其外形結構見圖2，工件材料為AISI 1045鋼，外徑DE=90 mm，內(nèi)徑DI=41 mm，工件厚度lW=20 mm，總拉削的切深δm=1.88 mm，切削寬度bw=16 mm。

1.3 切削液制備

本試驗制備了三類切削液，其成分規(guī)劃如表1所示。第一類為W-O切削液，即在水中加入蓖麻油而形成的，其中蓖麻油有5個不同的質量分數(shù)。第二類為WO-S切削液，即在第一類切削液中水和蓖麻油最佳配比的基礎上，再加入表面活化劑——直鏈烷基苯磺酸鈉(linear alkylbenzene sulfonate，LAS)而形成的，其中LAS的質量分數(shù)有5種。第三類為WOS-G切削液，是在第二類切削液各成分最佳配比的基礎上，再加入納米石墨而形成的，其中納米石墨有4種不同的質量分數(shù)。

表1 切削液成分表(質量分數(shù))Tab.1 The composition of cutting fluid(mass fraction) %

每類切削液使用圖1所示的功率為2 400 W的超聲波攪拌器(CH-8590, Rinco, Switzerland)進行制備。將超聲波攪拌頭置于待混合切削液中，在20 kHz頻率下振動攪拌5 min，同時使用水浴對切削液進行冷卻。超聲攪拌完成后，將切削液靜置3 min再使用。利用超聲波攪拌的作用可將切削液液滴的混合達到微納級別。

1.3.1切削液的潤濕特性

使用1000倍的奧林巴斯BX53M金相顯微鏡觀測拍攝上述3類切削液的微觀照片。利用Keyence VW-9000型高速顯微鏡對拉刀表面上切削液的接觸角進行了測量，該顯微鏡可在1 s內(nèi)拍攝23 000幀圖像。測量所得拉刀表面上切削液的潤濕角及其變化如圖3所示?？梢钥闯觯瑃=0時，W-O切削液的潤濕角最大，為85.82°，WO-S切削液的潤濕角最小，為79.83°。當t=2 s時，W-O切削液的潤濕角最大，為73.17°，WO-S切削液的潤濕角最小，為61.24°。在2 s內(nèi)，WO-S切削液的潤濕角變化了18.59°，而W-O和WOS-G切削液的潤濕角分別變化了12.65°和13.94°，這說明WO-S切削液作用于刀具時具有最佳潤濕性和滲透性。

圖3 拉刀表面的切削液潤濕角及其變化Fig.3 Wetting angle variation of different cutting fluids on broach tool surface

1.3.2切削液的摩擦學特性

將液體石蠟(商用切削液)作為上述制備的W-O、WO-S和WOS-G切削液的對比對象，并采用MRS-10A型四球摩擦試驗機測定4類切削液的摩擦因數(shù)。具體試驗參數(shù)如下：試驗時間30 min，試驗載荷392 N，轉速1 420 r/min；國標二級軸承鋼球，直徑12.7 mm，材料為GCr15，硬度59～61HRC。試驗結果如圖4所示，可以看出，液體石蠟在測試時間內(nèi)呈現(xiàn)的最大摩擦因數(shù)約為0.095；W-O切削液的摩擦因數(shù)有所減小，為0.08左右；WO-S切削液的摩擦因數(shù)最小，為0.068左右；WOS-G切削液因納米石墨的加入，摩擦因數(shù)與WO-S切削液相比反而有所增大，為0.07左右。由此可知， WO-S切削液在摩擦學特性方面也表現(xiàn)得最好。

圖4 切削液摩擦因數(shù)隨時間變化圖Fig.4 The variation of friction coefficient of cutting fluids with time

2 試驗結果與分析

2.1 添加劑對拉削負載的影響

拉削負載是拉削加工性能的重要評價指標，為此，將拉削負載的大小作為評價切削液的首要因素。為保證試驗結果的準確性以及減小誤差，在每種切削液條件下重復拉削試驗三次。如圖2所示，在拉削過程中，由于拉刀刀齒間距p=6 mm，工件厚度lw=20 mm(即3p

如圖5所示，針對W-O型切削液，隨蓖麻油質量分數(shù)w(O)的增大，拉削負載的高值和低值均先減小后趨于平緩。拉削負載最小值最先出現(xiàn)在w(O)=10%處，其高值和低值分別為6.14 kN和4.90 kN，與干拉削相比，分別減小了12.0%和13.6%。

圖5 W-O切削液拉削負載對比Fig.5 The comparison of broaching load in W-O cutting fluid

圖6 WO-S切削液拉削負載對比Fig.6 The comparison of broaching load in WO-S cutting fluid

如圖6所示，針對WO-S型切削液，隨LAS質量分數(shù)w(S)的增大，拉削負載的高值基本逐漸減小并趨于平緩，其低值變化有一定的波動。拉削負載最小值最早出現(xiàn)在w(S)=1.5%處，其高值和低值分別為5.79 kN和4.62 kN，與干拉削相比，分別減小了17.0%和18.5%。

如圖7所示，針對WOS-G型切削液，隨著石墨的加入，拉削負載的高值和低值均逐步增大，當石墨質量分數(shù)w(G)=1%時，拉削負載的高值和低值已達到7.15 kN和6.03 kN，已略大于干拉削時對應的負載。

圖7 WOS-G切削液拉削負載對比Fig.7 The comparison of broaching load in WOS-G cutting fluid

由上述試驗結果可知，添加劑對拉削負載存在較大的影響，包括如下三方面。

2.1.1蓖麻油對拉削負載的影響

蓖麻油可以有效地減小拉削負載。蓖麻油對拉削負載的有益效果源于它的水解作用，蓖麻油可通過水解反應制得不同的改性化學成分。蓖麻油的主要成分為甘油三酯，水解后會生成一分子甘油和三分子脂肪酸，如圖8所示。脂肪酸一端為—COOH官能團，具有化學活性，可依靠分子間作用力吸附于刀尖表面，形成定向排布的吸附油膜，這樣就可將刀具-切屑-工件表面隔開，并將刀-工-屑間的摩擦轉化為吸附膜分子間的摩擦，從而可減少直接接觸，進而減小摩擦阻力和切削力。

圖8 W-O切削液中蓖麻酸水解與吸附潤滑原理Fig.8 Hydrolysis of castor acid and adsorption-lubrication mechanisms in W-O cutting fluid

從圖5中也可以看出，在W-O切削液中，隨著蓖麻油含量的不斷增加，拉削負載不會一直減小。這主要是因為刀具-工件-切屑之間的金屬表面積有限，隨著蓖麻油含量的增加，金屬表面上的吸附膜厚度逐漸增大并被完全覆蓋，這樣遠離金屬表面的脂肪酸因無法繼續(xù)實現(xiàn)有效的吸附而達到了一種飽和平衡狀態(tài)。

2.1.2活化劑對拉削負載的影響

活化劑可以有效地減小拉削負載?；罨瘎髫撦d的有益效果源于它對油水液滴的微細乳化增強作用。使用Olympus BX53M 1000倍透射顯微鏡觀察WO-S(w(S)=0，即W-O)和WO-S(w(S)=1.5%)兩種切削液液滴，結果見圖9。

(a)WO-S(w(S)=0，即W-O)

(b)WO-S(w(S)=1.5%)圖9 WO-S(w(S)=0)和WO-S(w(S)=1.5%) 的液滴顯微照片對比Fig.9 The comparison of droplet micrograph in WO-S(w(S)=0) and WO-S(w(S)=1.5%)

對比圖9a和圖9b可以發(fā)現(xiàn)，當W-O切削液中沒有加入活化劑時，水包油液滴的最大直徑不超過6 μm，而在加入活化劑后， WO-S切削液中水包油液滴的最大直徑不超過3 μm，幾乎減小了一半。這說明活化劑的加入可將油液滴進一步分散，從而得到了更加微小和細密的水包油微液滴，即促進了油水乳化。這些直徑不超過3 μm的微細水包油液滴更易附著于刀具-工件-切屑表面[20]，且更易于進入刀尖的微狹縫中，起到更加有效的潤滑和冷卻作用[21]，從而可有效地減小拉削負載。

從圖6中也可以看出，在WO-S中，隨著活化劑含量的不斷增加，拉削負載也不會一直減小，而是進入一種飽和平衡狀態(tài)。這其中的原因與蓖麻油的情況類似，主要還是受到了刀具-工件-切屑之間有限金屬表面積的限制。

2.1.3納米石墨對拉削負載的影響

加入納米石墨反而不利于減小拉削負載。如圖7所示，納米石墨的異常表現(xiàn)效果與圖4中4類切削液液滴的摩擦學特性所得到的結論相吻合。使用Olympus BX53M 1000倍透射顯微鏡觀察WOS-G(w(G)=0.25%)切削液液滴，結果見圖10。一方面，納米石墨和蓖麻酸(蓖麻油的水解產(chǎn)物)都是由非極性分子構成，極性特征相似使得兩者極易結合在一起；另一方面，石墨是親油的，而活化劑分子中既含有親油基也含有親水基，這使得石墨和活化劑也極易結合在一起。上述原因都使得石墨、活化劑和蓖麻酸極易聚集，并形成較大的集團(即“團簇”)，如圖10所示。另外，“團簇作用”還會減少切削液中蓖麻油和活化劑的有效成分含量。因此，隨著納米石墨含量的增加，“團簇”效果更為明顯，拉削負載將逐步增大，甚至達到干拉削工況時的拉削負載。

圖10 納米石墨在WOS-G切削液中的團簇現(xiàn)象Fig.10 Agglomeration of nano-graphite in WOS-G cutting fluids

2.2 添加劑對拉削負載動特性的影響

拉削加工過程中負載動特性是加工性能的另一重要評價指標。本文選取干拉削，以及三類切削液中的優(yōu)化代表W-O(w(O)=10%)、WO-S(w(S)=1.5%)和WOS-G(w(G)=0.25%)作為研究對象，將其對應的拉削負載信號進行快速傅里葉變換(fast Fourier transform，F(xiàn)FT)后，可得到4個拉削負載信號頻譜圖(圖11)。

(a)干拉削

(b)W-O(w(O)=10%)

(c)WO-S(w(S)=1.5%)

(d)WOS-G(w(G)=0.25%)圖11 四種不同工況下拉削負載信號頻譜圖Fig.11 Frequency spectrum of broaching load under four different processing conditions

從圖11a～圖11d中可以看出，4個拉削負載信號存在較為一致的頻域特征。即在f1≈13.33 Hz、f2≈2f1、f3≈3f1頻率點附近,4個拉削負載信號均存在較大的增益，分別為干拉削(A1=415.7 N，A2=274.6 N，A3=64.7 N)，W-O(A1=406.25 N，A2=266.5 N，A3=55.6 N)，WO-S(A1=371.7 N，A2=213.7 N，A3=41.2 N)，WOS-G(A1=445.5 N，A2=236.6 N，A3=44.3 N)。可以看出，4個拉削負載信號的頻率點f1、f2和f3的頻率值相近，這表明這三個頻率來自一個振源。這個振源主要是由拉刀刀齒的齒距p和工件長度lW引起的。根據(jù)圖2所示的工件厚度與刀齒間距間的關系3p=18 mm

對比4種條件下基頻f1處的幅值可以發(fā)現(xiàn)，相比干拉削，W-O、WO-S的幅值分別減小了2.3%和10.6%，而WOS-G的幅值增大了7.2%。對比二倍頻f2處的幅值可以發(fā)現(xiàn)，相比干拉削，W-O、WO-S和WOS-G的幅值分別減小了3.0%、22.2%和13.8%。對比三倍頻f3處的幅值可以發(fā)現(xiàn)，相比干拉削，W-O、WO-S和WOS-G的幅值分別減小了14.0%、36.3%和31.5%。

上述結果表明，蓖麻油和活化劑的加入，不但可以減小拉削負載，還可以抑制拉削過程的負載波動。這個有益的效果可從切削液液滴在刀具-工件-切屑表面的附著作用來解釋。當使用W-O切削液進行拉削時，蓖麻酸分子通過物理吸附在金屬表面形成了薄油膜，具有一定的減振潤滑作用；但此油膜較薄，吸附作用較弱，當受到較大載荷時，油膜易被破壞而導致減振作用消失,因此拉削負載幅值僅有輕微的減小。WO-S是在切削液中加入表面活化劑制備的，引入了大量的活性基團，可顯著提高油膜的吸附作用；另外，活化劑LAS中含有少量硫元素，可作為極壓添加劑與金屬表面產(chǎn)生化學反應，使得部分物理吸附轉化為化學吸附，并形成了金屬皂膜，從而可在較大的載荷條件下工作，因此，其減振潤滑的效果會更加明顯，即拉削負載幅值會有更大幅度的減小。加入納米石墨的WOS-G切削液因存在納米石墨的“團簇”消耗作用，會大幅度減少切削液中有效蓖麻酸和活化劑的含量，也會明顯減小刀具-工件-切屑表面的吸附膜厚度，從而會明顯減弱對拉削負載幅值的抑制效果，在基頻部分的幅值還略大于干拉削時的幅值。

2.3 添加劑對刀齒“粘屑”的影響

切屑在刀齒上的附著情況(即“粘屑”現(xiàn)象)不利于拉刀的再次使用，也是拉削加工過程中所必須抑制的。對于圖2所示的拉刀的第1～5個刀齒，由于涉及刀齒與工件的初始瞬間接觸以及接觸刀齒數(shù)量的逐漸增加過程，該5個刀齒表面所受的摩擦作用最為劇烈。分別設置干拉削、W-O(w(O)=10%)、WO-S(w(S)=1.5%)和WOS-G(w(G)=0.25%)四種切削條件，在每種條件下進行3次拉削試驗，并將拉刀上第1～5齒和全部50個刀齒上的粘屑數(shù)量進行統(tǒng)計，其均值結果見圖12。

圖12 不同拉削條件下平均粘屑數(shù)量對比Fig.12 Comparison of average amount of adhesive chips under different broaching conditions

從圖12中可以看出，相比于干拉削條件，在W-O條件下第1～5齒和全部刀齒的平均粘屑數(shù)量相差不大，基本上沒有改善；WO-S條件下第1～5齒上平均粘屑數(shù)量減少至4.3，減少了35.8%，全部刀齒上的平均粘屑數(shù)量減少至7.7，減少了23.0%；在WOS-G條件下則出現(xiàn)了異常增大的現(xiàn)象，其第1～5齒上平均粘屑數(shù)量增加至8.5，全部刀齒上的平均粘屑數(shù)量也猛增至12.2。

上述結果表明，蓖麻油和活化劑的加入，不但可以減小拉削負載，還可以抑制拉削過程的刀齒上粘屑。這個有益的效果也可從切削液液滴對刀尖表面的不同黏附作用來解釋。當使用W-O切削液進行拉削時，切削液液滴對刀尖表面的黏附作用主要停留在物理吸附效應上，吸附作用較弱，從而隔離刀具-切屑之間的能力也較弱，因此粘屑現(xiàn)象得不到明顯的改善。WO-S切削液液滴引入了活化劑，將液滴的物理吸附轉化為化學吸附，使得隔離刀具-切屑之間的能力得到了增強，因此粘屑現(xiàn)象得到了較大的改善。WOS-G切削液的液滴因存在納米石墨的“團簇”消耗作用，會顯著減弱液滴的物理和化學吸附作用，使得隔離刀具-切屑之間的能力明顯減弱，因此粘屑現(xiàn)象變得更加嚴重。

3 結論

(1)試驗結果表明，WO-S切削液的應用效果最好，相比干切削工況，拉削負載的高值和低值分別減小了17.0%和18.5%，拉削負載在基頻處的幅值減小了10.6%，前5個刀齒的平均粘屑數(shù)量減少了35.8%，全部刀齒的平均粘屑數(shù)量減少了23.0%。

(2)含純凈水88.5%、蓖麻油10%和活化劑1.5%(均為質量分數(shù))的WO-S切削液實現(xiàn)了拉削負載的高值和低值分別為5.79 kN和4.62 kN，拉削負載在基頻處的幅值為371.7 N，平均粘屑數(shù)為7.7，其他具體條件為：拉刀刀齒齒距p=6 mm，工件厚度lW=20 mm，拉削速度v=80 mm/s；切削液噴射流量16 mL/min，噴嘴距刀齒距離40 mm，傾角45°，工作氣壓6 MPa。

(3)蓖麻油和活化劑作為添加劑加入切削液時，一定程度上有利于切削液減小拉削負載，但并非越多越好，而是存在一個最佳值。

(4)納米石墨作為添加劑加入切削液時，它與蓖麻油和活化劑作用會發(fā)生“團簇”效應，反而增大了切削液的摩擦因數(shù)，不利于減小拉削負載和拉削負載在基頻處的幅值，也不利于減少粘屑數(shù)量。