利用MQL冷卻方式磨削時(shí)工件表面完整性分析

韓小燕 孟廣耀 王 威

（青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東青島 266033）

利用MQL冷卻方式磨削時(shí)工件表面完整性分析

韓小燕 孟廣耀 王 威

（青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東青島 266033）

主要介紹通過實(shí)際磨削實(shí)驗(yàn)，使用最小潤滑切削（Minimum Quantity Lubricant，簡稱MQL）的冷卻方式，在加工完畢后對(duì)工件進(jìn)行表面完整性分析，從而總結(jié)歸納該冷卻方式所具有的技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性。

MQL 磨削 殘余應(yīng)力 表面粗糙度 磨削力

在傳統(tǒng)的磨削加工過程中，需要使用大量的磨削液，以達(dá)到冷卻、潤滑、清理磨屑等方面的作用。但是在近年來的研究中發(fā)現(xiàn)，在磨削加工過程中，飛速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的砂輪表面會(huì)產(chǎn)生氣障層，由于該層的阻礙作用，磨削液被阻隔在砂輪的外面而不能全部到達(dá)磨削區(qū)，造成了很大的浪費(fèi)和污染。于是，干式磨削技術(shù)（即不使用任何磨削液）被人們所提出，但是該方法仍然只是局限在某種特定的加工方式下，并且對(duì)刀具的要求很高。準(zhǔn)干式切削技術(shù)是近幾年提出的介于濕式磨削與干式磨削之間的新型冷卻方式，它將空氣壓縮至某個(gè)大氣壓，并與少量的潤滑液混合霧化，形成毫米、微米級(jí)氣霧，然后以高壓噴向磨削區(qū)，調(diào)節(jié)供液壓力，使得出口速度可以沖破氣障層，從而進(jìn)入磨削區(qū)，并且可以吹走磨屑，防止磨屑粘到砂輪上。準(zhǔn)干式磨削加工的關(guān)鍵技術(shù)是油霧的出口速度選擇、噴油嘴的設(shè)計(jì)以及噴嘴的放置位置等。本文通過實(shí)驗(yàn)，依據(jù)被加工后工件的表面完整性來衡量準(zhǔn)干式磨削加工技術(shù)的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及過程

1.1 實(shí)驗(yàn)裝備及相關(guān)數(shù)據(jù)

砂輪類型：SD1500N125B，直徑200 mm，寬度10 mm；

工件材料：45號(hào)鋼；

工件進(jìn)給速度：15 m/min；

切深：10 m；

砂輪轉(zhuǎn)速：30 m/s；

MQL 供液裝置：FK －2（圖1）；

實(shí)驗(yàn)?zāi)ゴ玻浩矫婺ゴ睰－P36。

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定

實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選擇主要包括磨削液流量的選擇，速度計(jì)算以及噴嘴角度放置的選擇。

1.2.1 流量選擇

傳統(tǒng)磨削液的供給方式一般采用澆注法，一般的流量為8.4 L/min（濃度5%）。準(zhǔn)干式磨削是將極少量的潤滑劑與高壓空氣按一定的比例混合，噴出噴嘴，綜合研究目前相關(guān)文獻(xiàn)資料，本實(shí)驗(yàn)用的流量為40 ml/h。

1.2.2 速度計(jì)算

對(duì)于高速和超高速磨削而言，根據(jù)伯努利方程，砂輪周圍空氣帶動(dòng)壓力為

式中：Pa為空氣帶動(dòng)壓力，Pa；ρa(bǔ)為空氣密度，kg/m3；va為空氣流速，m/s。

由式（1）可以看出，要使磨削液沖破氣障層而進(jìn)入磨削區(qū)必須滿足條件

式中：P為磨削液噴射壓力，Pa；v0為磨削液流速，m/s；ρ為磨削液密度，kg/m3。由（2）式可推導(dǎo)出下式：

由于氣障層速度在砂輪表面處最大接近砂輪外表面圓周速度vs，因此可以推算出近似的突破環(huán)繞砂輪的氣障層磨削液流速為

在該實(shí)驗(yàn)中，由于潤滑劑的劑量少，跟高壓氣體混合后，混合氣體的密度與空氣的密度很相似，因此，將空氣壓強(qiáng)密度 Pa≈p代入式（4）中，可知 v0≈vs，因此準(zhǔn)干式磨削液供給速度為v0=30 m/s。

1.2.3 角度選擇

砂輪旋轉(zhuǎn)形成氣障層，同時(shí)，自身也在高速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)氣障層旋轉(zhuǎn)到砂輪和工件間磨削區(qū)時(shí)，會(huì)受到阻礙，改變方向。通過實(shí)驗(yàn)和有限元分析預(yù)測(cè)，可將氣障層的方向變化如圖2所示。

Sun － Kyu Lee、Yuji Miyamoto、Tsunemoto Kuriyagawa等人在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)四種不同的噴嘴位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這4個(gè)噴嘴位置分別是相切位置、中間位置、角度位置（水平15°）以及相反位置，如圖3所示。結(jié)果表示，選擇中間位置是最為理想。

根據(jù)粘性流體射流理論，磨削液在流出噴嘴時(shí)會(huì)逐漸發(fā)散，速度會(huì)逐漸降低，不利于潤滑和冷卻。因此可以采用改進(jìn)噴嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法，采用理想的圓形入口，拋光的內(nèi)壁和輸出面積不變及出口邊緣鋒利的噴嘴，同時(shí)，使噴嘴盡可能的貼近砂輪，減輕發(fā)散帶來的不利影響。

2 表面完整性分析

2.1 表面粗糙度

根據(jù)以上確定的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行了最小潤滑磨削（MQL）試驗(yàn)，得到圖4所示的磨削表面記錄曲線。從圖4中可以明顯看出，工件表面的起伏較小，在平均值附近微小波動(dòng)，與傳統(tǒng)磨削加工方法相比，表面粗糙度有了很大的改善，說明加工質(zhì)量較高。

2.2 殘余應(yīng)力

殘余應(yīng)力產(chǎn)生的原因主要有三個(gè)：熱量的產(chǎn)生、微觀結(jié)構(gòu)變形以及機(jī)械力。工件最外層的溫度最高，產(chǎn)生的熱量最多，越往工件的內(nèi)部，溫度越低，呈遞減趨勢(shì)。因此，當(dāng)這一現(xiàn)象產(chǎn)生時(shí)，外層的膨脹度要大于內(nèi)層，而當(dāng)熱源冷卻時(shí)，外層的收縮速度又更快，因此容易產(chǎn)生殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力又分為殘余壓應(yīng)力和殘余拉應(yīng)力，前者對(duì)工件而言是有益的，可以增加工件的硬度，后者對(duì)工件是有害的。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，得出結(jié)論：比起傳統(tǒng)的磨削方式，MQL冷去方式下的磨削加工可以產(chǎn)生更大的殘余壓應(yīng)力，而大大有利于工件加工質(zhì)量的提高。

2.3 金相組織變化與表面顯微硬度

在磨削的過程中，由于熱量的產(chǎn)生及機(jī)械力的作用，工件的金相組織會(huì)發(fā)生變化，同時(shí)由于溫度的原因，工件表面會(huì)在磨削過程中發(fā)生退火，并且會(huì)出現(xiàn)表層軟化現(xiàn)象，該現(xiàn)象與馬氏體變形和碳元素?cái)U(kuò)散有關(guān)系，直接影響到工件的表面微觀硬度。通過測(cè)試，可以看出使用MQL潤滑方式工件的金相組織變化程度相比傳統(tǒng)方式與干磨削方式變化要輕微一些。MQL方式由于充分利用了油霧的潤滑冷卻作用，從而減輕了砂輪與工件的相互摩擦，并且將熱量以吸收氣化的方式迅速脫離工件表面，使得通過熱量與機(jī)械力造成的金相組織變化和硬度變化的程度有所降低。同樣作為綠色制造技術(shù)的干磨削技術(shù)，由于冷卻受到局限，微觀結(jié)構(gòu)下觀察到馬氏體要更薄一些，這可能是由于熱影響更為嚴(yán)重的原因，產(chǎn)生的熱量很大，但是冷卻起來卻很緩慢，而MQL方法則在該問題上有了一定的改進(jìn)。

2.4 磨削力

磨削力產(chǎn)生的原因是工件與砂輪接觸后引起的彈性、塑性變形，磨屑形成以及磨粒和結(jié)合劑與工件表面之間的磨削。為了便于分析，通常將磨削力分成三個(gè)相互獨(dú)立的分力。通過磨削測(cè)力儀，對(duì)三個(gè)力分別進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量顯示如圖5。通過圖片可以看出，MQL磨削加工的法向力Fx、Fy都處在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，這是所期望的數(shù)值，有利于提高加工質(zhì)量。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是，MQL的高壓混合潤滑劑起到很好的冷卻作用，減小了摩擦力，更為重要的是，氣液混合的油霧形成的氣液兩相壓力層的動(dòng)壓力遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)磨削下磨削液在磨削區(qū)形成的液相動(dòng)壓力，而動(dòng)壓力的大小又對(duì)磨削力的大小起到一定的作用。

3 結(jié)語

通過實(shí)驗(yàn)分析并且參考多方面的文獻(xiàn)資料，總結(jié)出MQL技術(shù)可以有效地利用于磨削過程，同時(shí)幫助改善環(huán)境，是一種綠色的機(jī)械加工工藝。在磨削的過程中，利用MQL冷卻方式，將壓縮空氣與少量的潤滑劑混合，以指定的速度從噴嘴中流出，沖破氣障層進(jìn)入磨削區(qū)，使得磨削液可以充分地得以利用。該技術(shù)的使用，使工件表面粗糙度值減小，有利于改善表面完整性，獲得有益的殘余壓應(yīng)力。但是，目前MQL技術(shù)仍然存在許多不足之處，如磨削過程中大量油霧的產(chǎn)生會(huì)引發(fā)呼吸道疾病，危害操作者的身體健康等問題，都亟待解決，還需要繼續(xù)研究以使MQL趨于完善，在生產(chǎn)中得以廣泛的應(yīng)用。

1 D.Sahm，T.Schneider，The production without coolant is interesting and must be more known，Machines and Metals Magazine，1996，367：38－55

2 F.Klocke，G.Eisenbla¨tter，Dry cutting，Annals of the CIRP，1997，46：519 －526

3 C.Dunlap，Should you try dry？，Cutting Tool Engineering，1997，49：22－33

4 O.Novaski，J.Do¨rr，Machining without coolant，Machines and Metals Magazine，1999，399：18 －27

5 A.R.Machado，A.E.Diniz，Advantages and disadvantages of the use of the cutting fluids，Machining Congress 2000，S?o Paulo，SP，Brazil，2000，278：25 －26

6 U.Heisel，D.Lutz，R.Wassmer，U.Walter，The minimum quantit ylubricant technique and its application in the cutting process，Machines and Metals Magazine，1998 ，386：22 －38

7 H.Schulz，Trends in manufacturing technology at the threshold of the millennium，F(xiàn)ourth International Congress of High Technology—Technological Innovations in the Manufacture，Unimep，Piracicaba，SP，Brazil，（August 1999）44－46

8 J.Do¨rr，New perspectives in dry machining，F(xiàn)ourth International Congress of High Technology—Technological Innovations in the Manufacture，Unimep，Piracicaba，SP，Brazil，August 1999.

9 張自衛(wèi).切削液的使用現(xiàn)狀及相關(guān)問題［J］.磨床與磨削，1984（2）：29～30

10 顧禮鐸，孟廣耀，商珊珊等.準(zhǔn)干式綠色磨削磨削液供給參數(shù)選擇計(jì)算［J］.煤礦機(jī)械，2008（12）：94 ～96

11 劉曉旭，袁松梅，劉強(qiáng).準(zhǔn)干式切削技術(shù)及應(yīng)用［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2008（4）：75 ～77

如果您想發(fā)表對(duì)本文的看法，請(qǐng)將文章編號(hào)填入讀者意見調(diào)查表中的相應(yīng)位置。

Analysis of Surface Integrity for MQL in Grinding

HAN Xiaoyan，MENG Guangyao，WANG Wei
（School of Mechanical，Qingdao Technological University，Qingdao 266033，CHN）

The minimum quantity lubricant technique（referred to as MQL）describes the actual grinding experiments and use of MQL cooling methods in this work，and analysis of surface integrity for minimum quantity lubricant in grinding.The results presented here are expected to lead to technological and ecological gains in the grinding process using MQL.

MQL；Grinding；Residual Stress；Surface Roughness；Grinding Force

TP391

A

韓小燕，在讀碩士研究生，研究方向現(xiàn)在切削磨削技術(shù)。

p

2009－09－09）

10135