劉念聰 吳圣紅 謝京良 楊程文 劉保林 蔣 浩 陳 云

1. 成都理工大學(xué)核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院，成都，610059 2. 成都工具研究所有限公司，成都，610051

0 引言

最小量潤(rùn)滑(minimum quantity lubrication, MQL)就是使用最小量的切削液達(dá)到最佳的切削效果，是一種金屬加工的潤(rùn)滑方式，即半干式切削。與干切削、濕切削相比，MQL作為一種綠色制造技術(shù)，能夠顯著降低切削區(qū)域的溫度，減少工件與刀具之間的摩擦，提高刀具壽命和表面質(zhì)量，受到學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。MQL技術(shù)為干切削和常規(guī)冷卻潤(rùn)滑的結(jié)合，融合了兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，能降低生產(chǎn)成本，減少環(huán)境污染[1-5]。文獻(xiàn)[6]的研究表明，MQL刀具壽命比干切削和濕切削更長(zhǎng)，工件表面質(zhì)量更好。然而MQL技術(shù)在冷卻效果方面的局限性使其難以用于硬質(zhì)切削材料，如鈦合金、奧氏體不銹鋼[7-8]。

最小量冷卻潤(rùn)滑(minimum quantity cooling lubrication，MQCL)技術(shù)是在MQL基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型技術(shù)，它有利于提高冷卻效果和發(fā)揮潤(rùn)滑作用。很多研究人員研究了在MQCL條件下低溫冷卻對(duì)刀具磨損、切削溫度和摩擦力的影響[9-13]。為了進(jìn)一步考察不同冷卻方式的冷卻效果，PENG等[14]比較了低溫氣體(CG)、MQL、CG + MQL三種冷卻方式對(duì)鈦合金切削的冷卻效果，發(fā)現(xiàn)在CG+MQL冷卻條件下獲得了最小的表面粗糙度。MUAZ等[15]將基于低溫冷卻和MQL的組合技術(shù)與干燥的冷卻劑效果進(jìn)行了比較，發(fā)現(xiàn)這種組合技術(shù)可以提高刀具壽命。LIU等[16]研究了MQCL條件下切削參數(shù)對(duì)刀具磨損的影響，并與MQL條件下的刀具磨損進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，在優(yōu)化切削參數(shù)條件下，MQCL獲得了比MQL和干式切削條件下更高的表面質(zhì)量和更低的刀具磨損。ISKANDAR等[17]報(bào)道了MQL冷卻參數(shù)對(duì)流動(dòng)特性的影響，他們認(rèn)為空氣流量、油液流量和噴嘴距離等冷卻參數(shù)對(duì)切削液的流動(dòng)特性有顯著影響。CAROU等[18]認(rèn)為在干切削條件下表面粗糙度和振動(dòng)之間的關(guān)系是清楚的，但如果切削是在MQL條件下進(jìn)行，結(jié)果是相反的。PHAM等[19]研究了MQCL條件下二硫化鉬納米流體對(duì)SKD11工具鋼硬磨性能的影響，得出納米流體對(duì)表面粗糙度和工具磨損有很大影響的結(jié)論。有研究人員認(rèn)為，雖然MQCL系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是多方面的，但還沒(méi)有得到廣泛的探索[20]。從上述文獻(xiàn)中可知，目前的研究主要側(cè)重于MQL條件下對(duì)冷卻參數(shù)的研究，而在MQCL條件下油液流量、冷風(fēng)溫度、風(fēng)速、噴射面類型等冷卻參數(shù)對(duì)刀具振動(dòng)和表面質(zhì)量的影響研究仍是空白，有必要進(jìn)一步探索。

鑒于上述分析，本文重點(diǎn)研究在MQCL條件下車削奧氏體不銹鋼時(shí)冷卻參數(shù)對(duì)刀具振動(dòng)和表面質(zhì)量的影響。在實(shí)驗(yàn)中，主要輸入?yún)?shù)是冷卻參數(shù)，即冷風(fēng)溫度、風(fēng)速、油液流量和噴射面類型。評(píng)價(jià)指標(biāo)為刀具軸向、徑向振動(dòng)的均方根值和表面粗糙度。正交試驗(yàn)基于田口設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)分析冷卻參數(shù)對(duì)表面粗糙度的作用機(jī)理。最后，采用改進(jìn)的遺傳算法優(yōu)化支持向量回歸(SVR)模型對(duì)冷卻參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出冷卻參數(shù)最優(yōu)值。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)裝置與測(cè)量

試驗(yàn)材料采用AISI304不銹鋼棒材，尺寸為φ100 mm×400 mm，化學(xué)成分和力學(xué)性能分別見(jiàn)表1和表2。刀柄型號(hào)為SDJCR2020K11，如圖1a所示。刀柄的參數(shù)如表3所示，刀具如圖1b所示，刀具尺寸參數(shù)見(jiàn)表4。基體材料為ZGM156(M型硬質(zhì)合金)，PVD涂層硬質(zhì)合金型號(hào)為PR930。以植物基礎(chǔ)油和乙醇為原料，按1∶1體積比混合，制備出一種新型切削液。高壓氣體由DW-30型空氣壓縮機(jī)提供。采用CK6136i型數(shù)控車床進(jìn)行車削試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)備如圖2所示，切削參數(shù)(切削深度ap=0.25 mm，進(jìn)給速度f(wàn)=0.1 mm/r，切削速度v=250 m/min)為行業(yè)推薦值。MQCL系統(tǒng)如圖3所示。采用TR2000型測(cè)試儀測(cè)量表面粗糙度，分辨力為0.01 μm，采樣長(zhǎng)度為0.8 mm。為了減小試驗(yàn)誤差，對(duì)表面粗糙度測(cè)量9次取平均值，并記錄表面粗糙度Ra的值。刀具振動(dòng)信號(hào)由DH5922N型測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行采集，采樣頻率為10 kHz。使用DH311型三向加速度傳感器測(cè)量刀具軸向(Ax)、徑向(Ay)、切向(Az)振動(dòng)加速度，其測(cè)量安裝方式如圖4所示。

表1 AISI304化學(xué)組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

表2 AISI304奧氏體不銹鋼的材料性質(zhì)

(a) 刀柄

表3 刀柄參數(shù)

表4 刀具尺寸參數(shù)

(a) 機(jī)床

圖3 最小量冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)

圖4 振動(dòng)傳感器的布置

1.2 試驗(yàn)方法

基于田口法的試驗(yàn)方案將3個(gè)冷卻參數(shù)(風(fēng)速、冷空氣溫度和油液流量)分為5個(gè)等級(jí),將噴射面分為3種類型，分別是前刀面(RF)、主后刀面(MRF)和副后刀面(MF)。各因素與等級(jí)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表5。

表5 因素與參數(shù)設(shè)計(jì)

2 試驗(yàn)結(jié)果討論

為了便于分析試驗(yàn)結(jié)果，將RF、MRF、MF分別編碼為1、2、3，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 微量潤(rùn)滑試驗(yàn)結(jié)果

2.1 方差分析

采用方差分析法，分別分析了各冷卻參數(shù)對(duì)刀具振動(dòng)和表面粗糙度的貢獻(xiàn)率。表7所示為刀具軸向振動(dòng)的方差分析結(jié)果，冷風(fēng)溫度、風(fēng)速、油液流量和噴射面類型的貢獻(xiàn)率分別為46.40%、8.34%、13.18%、11.92%。刀具徑向振動(dòng)的方差分析結(jié)果如表8所示，冷風(fēng)溫度、風(fēng)速、油液流量和噴射面類型對(duì)刀具徑向振動(dòng)的貢獻(xiàn)率分別為

表7 軸向振動(dòng)信號(hào)均方根的方差分析結(jié)果

表8 徑向振動(dòng)信號(hào)均方根的方差分析結(jié)果

41.54%、4.82%、12.70%、25.20%。由此可見(jiàn)，溫度對(duì)刀具振動(dòng)影響最大。由表9可知，冷風(fēng)溫度、風(fēng)速、油液流量和噴射面類型對(duì)表面粗糙度的貢獻(xiàn)率分別為3.30%、47.80%、23.50%、5.45%，可見(jiàn)，風(fēng)速對(duì)表面粗糙度影響最大，溫度對(duì)表面粗糙度影響最小。

表9 表面粗糙度方差分析結(jié)果

2.2 主效應(yīng)圖

軸向和徑向振動(dòng)的主效應(yīng)圖見(jiàn)圖5?？梢?jiàn)，當(dāng)溫度在-20～10 ℃之間時(shí)，軸向和徑向振動(dòng)均方根值隨溫度的升高呈明顯的上升趨勢(shì)。植物油運(yùn)動(dòng)黏度與溫度的關(guān)系為

(a) Ax主效應(yīng)圖

式中，A、B分別為各基團(tuán)貢獻(xiàn)值；η為流體黏度；ρ為20 ℃時(shí)的流體密度，g/cm3；M為相對(duì)分子量；T為熱力學(xué)溫度，K。

由式(1)可知，隨著冷風(fēng)溫度升高，植物油的運(yùn)動(dòng)黏度降低，導(dǎo)致摩擦力增大，振動(dòng)增大[21]。冷風(fēng)溫度在-10～0℃時(shí)，振動(dòng)有減小趨勢(shì)。一般情況下，MQCL可以迅速降低切削區(qū)溫度，使得切削液流動(dòng)速度下降，從而減小切削接觸區(qū)摩擦力，振動(dòng)隨之減小。冷風(fēng)溫度為-10 ℃時(shí)，振動(dòng)反而比冷風(fēng)溫度為0 ℃時(shí)更大。圖6為-10 ℃下刀具磨損SEM圖。由圖6可知，此時(shí)刀具前刀面形成積屑瘤，導(dǎo)致潤(rùn)滑性能變差?？梢?jiàn)，MQCL溫度越低，刀具振動(dòng)越小；當(dāng)?shù)毒叱霈F(xiàn)積屑瘤時(shí)，振動(dòng)會(huì)增大。

圖6 刀具磨損SEM圖

風(fēng)速在5.5 ～10.0 m/s時(shí)，隨著風(fēng)速增大， 振動(dòng)減小。這是由于風(fēng)速越大，刀具、工件與潤(rùn)滑油間的接觸面積越大，這有利于產(chǎn)生油膜，使得摩擦力及振動(dòng)減小。當(dāng)風(fēng)速大于10.0 m/s后，油液和切削表面接觸會(huì)減少，使得摩擦力增大，進(jìn)而振動(dòng)增大[22]。尤其是風(fēng)速在10～11.5 m/s時(shí)，表面粗糙度降低。油液流量在120～300 mL/h之間時(shí)，振動(dòng)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是因?yàn)閱畏肿訉佑湍?nèi)張力達(dá)到最小，厚度接近最大，油膜內(nèi)出現(xiàn)“擁擠”現(xiàn)象，工件表面切削阻力不均勻，造成振動(dòng)增大。油液流量超過(guò)300 mL/h時(shí)，振動(dòng)增大，表面粗糙度增大。噴射面為副后刀面時(shí)，刀具振動(dòng)最小。從主效應(yīng)圖中可知，振動(dòng)較小時(shí)，冷卻參數(shù)最優(yōu)值為：冷風(fēng)溫度-20 ℃，風(fēng)速10 m/s，油液流量300 mL/h，噴射面為副后刀面。

由圖5c可以看出，溫度在-20 ～-10 ℃之間時(shí)，表面粗糙度減??；溫度在-10 ～20 ℃之間時(shí)，表面粗糙度增大，但是總體上表面粗糙度變化很小，這表明溫度對(duì)表面粗糙度的影響很小。由金屬切削機(jī)理可知，表面粗糙度與刀具磨損相關(guān)性很大。采用4XC-W型顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，前刀面磨損量隨著溫度變化而變化很小，如圖7所示。第1組試驗(yàn)，當(dāng)溫度為-20 ℃、風(fēng)速為8.5 m/s、油液流量為300 mL/h時(shí)，前刀面磨損值d為56.89 μm；第7組試驗(yàn)，當(dāng)溫度為-10 ℃、風(fēng)速為5.5 m/s、油液流量為360 mL/h時(shí)，前刀面磨損值為58.06 μm，說(shuō)明溫度對(duì)刀具磨損的影響很小，即對(duì)表面粗糙度影響很小[16]。風(fēng)速為5.5 ～10 m/s時(shí)，表面粗糙度增大。當(dāng)風(fēng)速超過(guò)10 m/s時(shí)，表面粗糙度突然減小。油液流量在120 ～180 mL/h時(shí)，隨著油液流量的增大，粗糙度減小，油液流量超過(guò)180 mL/h時(shí)表面粗糙度先增大后減小。在確保表面粗糙度較小的情況下，冷卻參數(shù)最優(yōu)值為：溫度-10 ℃，風(fēng)速5.5 m/s，油液流量300 mL/h，噴射面為副后刀面。

(a) 第1組試驗(yàn)刀具磨損圖

2.3 響應(yīng)面圖

根據(jù)表6建立刀具振動(dòng)和表面粗糙度的多重響應(yīng)面。溫度、油液流量對(duì)刀具振動(dòng)影響的響應(yīng)面如圖8a、圖8b所示，較低的溫度和較低的油液流量相結(jié)合可減少刀具振動(dòng)，這是由于隨著溫度降低，植物油的運(yùn)動(dòng)黏度增大，摩擦力減小，進(jìn)而振動(dòng)減小。風(fēng)速、溫度對(duì)刀具振動(dòng)影響的響應(yīng)面如圖8c、圖8d所示，較高的溫度和風(fēng)速會(huì)導(dǎo)致較大的刀具振動(dòng)，這是由于溫度對(duì)刀具振動(dòng)的影響最大。較高的油液流量和風(fēng)速相結(jié)合，刀具振動(dòng)較小，如圖8e、圖8f所示。這是由于高風(fēng)速和高油液流量會(huì)導(dǎo)致較大的流體膜出現(xiàn)，使得摩擦力減小，進(jìn)而振動(dòng)減小。由圖9可知，隨著風(fēng)速增大，表面粗糙度呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，且變化最大，這進(jìn)一步驗(yàn)證了風(fēng)速對(duì)表面粗糙度的影響最大。然而油液流量并不是越大越好，當(dāng)油液流量達(dá)到一定值后，表面粗糙度反而增大。為進(jìn)一步說(shuō)明溫度和風(fēng)速對(duì)表面粗糙度的影響，進(jìn)行了表面粗糙度功率譜密度(PSD)分析。當(dāng)噴射面為前刀面，溫度為0 ℃、風(fēng)速為5.5 m/s、油液流量為300 mL/h時(shí)，其PSD如圖10a所示；當(dāng)溫度為10 ℃、風(fēng)速為11.5 m/s時(shí)，PSD如圖10b所示。對(duì)比圖10a、圖10b可知，隨著溫度、風(fēng)速增大，頻率大幅度增大，說(shuō)明風(fēng)速和溫度同時(shí)發(fā)生改變，對(duì)表面粗糙度影響很大。

(a) 油液流量-溫度軸向振動(dòng)響應(yīng)面圖

(a) 風(fēng)速-溫度的Ra響應(yīng)面圖

(a) 第3組試驗(yàn)Ra功率譜密度圖

3 冷卻參數(shù)預(yù)測(cè)與優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)研究

3.1 支持向量回歸預(yù)測(cè)模型

支持向量機(jī)(SVM)以統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論為基礎(chǔ)，基于結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原則，樣本泛化性能極強(qiáng)，可以避免對(duì)樣本數(shù)據(jù)的高度依賴，使得預(yù)測(cè)的效果更加接近實(shí)際值[23]。給定訓(xùn)練集訓(xùn)練函數(shù)Y={f(x1,x2,x3,x4)}，預(yù)測(cè)訓(xùn)練的適用范圍為：-20 ℃≤t≤20 ℃，5.5 m/s≤vw≤11.5 m/s，120≤qV≤300 mL/h，噴射面類型A=1,2,3。由于軸向振動(dòng)和徑向振動(dòng)的變化趨勢(shì)幾乎是一致的，這里僅考慮軸向和徑向振動(dòng)均方根的加權(quán)平均數(shù)，故加權(quán)方法為

W=0.5w1+0.5w2

(2)

式中,W為總權(quán)重；w1為軸向振動(dòng)的加速度權(quán)重；w2為徑向振動(dòng)的加速度權(quán)重。

通過(guò)回歸預(yù)測(cè)分別得到加權(quán)后的振動(dòng)均方根預(yù)測(cè)值與實(shí)際值，兩者對(duì)比如圖11a所示， 表面粗糙度預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的對(duì)比如圖11b所示，預(yù)測(cè)誤差如圖12所示。由圖12可見(jiàn)，SVR的預(yù)測(cè)誤差非常小，僅為0.001。

(a) 刀具振動(dòng)預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比圖

(a) 振動(dòng)

3.2 遺傳算法優(yōu)化SVR

由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)具有非線性，且樣本量有限，因此本研究利用遺傳算法得到4個(gè)冷卻參數(shù)的最優(yōu)組合。在此基礎(chǔ)上，建立誤差較小的 SVR 預(yù)測(cè)模型。遺傳算法預(yù)測(cè)優(yōu)化SVR的流程如圖13所示。優(yōu)化結(jié)果為：溫度-2.36 ℃，風(fēng)速7.31 m/s，油液流量300 mL/h，噴射面為副后刀面時(shí)，達(dá)到表面粗糙度最優(yōu)值0.4058 μm。當(dāng)溫度為-14.79 ℃，風(fēng)速為9.17 m/s，油液流量為240 mL/h，噴射面為副后刀面時(shí)，振動(dòng)均方根最優(yōu)值為4.024 m/s2。

圖13 GA-SVR操作流程圖

3.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為了檢驗(yàn)優(yōu)化參數(shù)(溫度-2.36 ℃，風(fēng)速7.31 m/s，油液流量300 mL/h，噴射面為副后刀面)的有效性，在MQCL條件下選擇優(yōu)化切削條件進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表10所示，表面粗糙度和刀具振動(dòng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)測(cè)結(jié)果的誤差分別為4.4%和5.9%?？梢?jiàn)，優(yōu)化方法是可靠的。

表10 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果

4 結(jié)論

(1)低溫微量潤(rùn)滑參數(shù)對(duì)刀具振動(dòng)的影響從大到小依次為：冷風(fēng)溫度、噴射面、油液流量、風(fēng)速。風(fēng)速對(duì)表面粗糙度的影響最大，溫度對(duì)表面粗糙度的影響較小。

(2)通過(guò)響應(yīng)面法分析可知，各因素對(duì)刀具軸向振動(dòng)和徑向振動(dòng)的影響規(guī)律為：低油液流量和較高溫度的組合使得刀具振動(dòng)更加劇烈；油液流量越大，風(fēng)速越大，振動(dòng)越小。

(3)用遺傳算法對(duì)SVR進(jìn)行優(yōu)化，預(yù)測(cè)誤差為0.001。優(yōu)化結(jié)果為：當(dāng)溫度為-2.36 ℃、風(fēng)速為7.31 m/s、油液流量為300 mL/h、噴射面為副后刀面時(shí)，最優(yōu)表面粗糙度為0.6588 μm。在溫度為-14.79 ℃、風(fēng)速為9.17 m/s、油液流量為240 mL/h、噴射面為副后刀面時(shí)，最小振動(dòng)值為4.024 m/s2。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化參數(shù)的可靠性。