微量油膜附水滴綠色加工技術的研究

劉永姜，馬國紅，杜盼盼，李文舉，陳東建，孫厚朝

(中北大學機械與動力工程學院，山西太原 030051)

微量油膜附水滴綠色加工技術的研究

劉永姜，馬國紅，杜盼盼，李文舉，陳東建，孫厚朝

(中北大學機械與動力工程學院，山西太原 030051)

通過微量油膜附水滴切削液、干切削和乳化液的對比試驗，研究微量油膜附水滴的切削效果。試驗結果表明:與干切削和乳化液潤滑比較，采用微量油膜附水滴不僅能夠降低切削力，而且還能降低刀具的磨損。

微量油膜附水滴;切削力;刀具磨損

0 前言

機械切削加工中，刀具與工件的劇烈摩擦使得切削區的環境惡劣，產生的高溫和高壓會加劇刀具的磨損，導致切削力增大，表面質量下降，直接影響加工效率和質量。為解決以上存在的問題，使用傳統的冷卻潤滑方式不僅排放的加工廢液造成了環境問題也會對人體造成損害，而且成本相對較高。為了保護環境和降低生產成本，需要開發一種改善生產和生態環境的新型綠色加工技術。

為了達到在減少使用切削液的同時又不降低切削加工的效果，國內外相關單位開發研制新型的綠色切削技術，隨后相繼提出了干切削、低溫冷風、液氮冷卻、氣體射流冷卻、微量潤滑 (Minimal Quantity Lubrication，MQL)、水蒸氣冷卻和微量油膜附水滴 (Oils on Water，OoW)等冷卻潤滑方式［1］。

微量油膜附水滴 (OoW)冷卻潤滑技術是將微量植物油和微量水經壓縮空氣和特殊噴嘴，霧狀化并形成表面吸附一薄層油膜的微小水滴，即微量油膜附水滴，又經壓縮空氣以一定速度噴射到加工面和刀具表面上，其中殘留在工件表面的少量水會被加工產生的切削熱帶走或蒸發，而微量油膜起潤滑和防銹作用，由于油膜的擴張性和親水性，在工件加工表面和刀具表面上產生良好的冷卻和潤滑效果［2－3］。

1 試驗研究

1.1 試驗材料及刀具

工件:1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼，直徑d=60 mm，長度L=1 000 mm;

刀具:硬質合金，前角γ0=15°，后角α0=10°，主偏角Кr=60°，副偏角К'r=10°，刃傾角λs=0。

1.2 試驗裝置及設備

(1)試驗機床:C620-1普通車床;(2)OoW切削液供給裝置:機械加工復合噴霧系統及特殊多段式噴嘴;(3)測試設備:HRU-426壓電式三向動態測力儀，KEYENCE VH-S5顯微鏡。

1.3 試驗方案及條件

該試驗采用硬質合金刀具對1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼在OoW切削液、干切削和乳化液的潤滑條件下進行外圓車削試驗，通過試驗獲得的切削力、刀具磨損量和切屑形態來研究OoW切削液的切削效果。冷卻潤滑條件及切削用量條件分別如表1、2所示。

表1 冷卻潤滑條件

表2 切削用量條件

2 試驗結果與分析

2.1 切削力試驗結果與分析

圖1、2分別為在不同切削方式下主切削力與進給量及切削速度的關系曲線。從圖1、2分別可以看出:隨著進給量增加，主切削力逐漸增加;隨著速度的增大，主切削力逐漸減小。

圖1 主切削力與進給 量的關系曲線

圖2 主切削力與切削 速度的關系曲線

分析試驗結果:干切削時沒有任何的冷卻潤滑，隨著進給量的增加和速度的增大，刀具的切削區環境持續惡化，刀具與工件之間的摩擦也隨之加劇，從而使干切削過程中產生較大的主切削力;乳化液潤滑時雖然能夠降低切削區的溫度，但是切削區內的高壓使得低壓下的乳化液很難滲透入切削區進行潤滑，從而難以有效地降低切削力;使用OoW切削液能夠顯著降低切削力，這是由于OoW切削液在壓縮空氣的強壓作用下以較高的速度和動能噴出，并且霧狀油膜水滴直徑小，從而使得OoW切削液滲透能力強，容易滲透到切屑與刀具前刀面的交界面，在刀具與工件之間形成潤滑膜，從而能有效地發揮冷卻潤滑作用。切削時霧狀油膜水滴破裂，其中殘留在切削區的少量水會被加工產生的切削熱蒸發，起到冷卻的作用，而微量油膜起潤滑作用，減小切屑－刀具－工件之間的摩擦因數，因而能夠明顯降低切削力。

2.2 刀具磨損試驗結果與分析

圖3為在不同切削方式下后刀面磨損形態隨時間的變化曲線。從圖3可以看出，當后刀面磨損量達到300μm時干切削所用時間最短，OoW冷卻潤滑切削所用時間最長。

圖3 在不同切削條件下刀具后刀面磨損量隨時間的變化曲線

分析實驗結果:干切削加工由于不存在冷卻潤滑介質，在切削過程中工件與后刀面之間摩擦劇烈，切削區溫度急劇升高，金屬受熱軟化，刀具在短時間內進入劇烈磨損階段，因此，干切削時后刀面磨損最嚴重。采用乳化液冷卻潤滑時，乳化液能夠起到一定的冷卻作用，但潤滑效果不明顯，及時冷卻可以使刀具硬化，減弱刀具的磨損;采用油膜附水滴冷卻潤滑時，切削加工油膜附水滴破裂，水滴蒸發帶走切削熱起到冷卻的作用，油膜在刀具與工件之間起到潤滑的作用，所以后刀面磨損量最小。

2.3 切屑形態試驗結果與分析

圖4、5為在不同切削方式下切屑在20倍顯微鏡下的形態。通過對比圖4、5可以看出，干切時切屑形態由伴有局部發藍的暗黃色變為全部呈藍色;采用乳化液潤滑時切屑形態由明暗相間的黃色變為暗黃色;采用OoW潤滑時切屑形態由黃而明亮變為淺黃。

圖4 在X20顯微鏡下的切屑形態 (v c=100 m/min，f=0.12 mm/r，a p=0.3 mm)

圖5 在X20顯微鏡下的切屑形態 (v c=120 m/min，f=0.12 mm/r，a p=0.3 mm)

分析試驗結果:干切削時切削區溫度由于無冷卻潤滑介質迅速升高，而切削熱主要依靠切屑帶走，因此在高溫的作用下，切屑出現“燒傷”現象，顏色呈藍色;采用乳化液冷卻潤滑時，乳化液可以帶走部分切削熱，而由于切削區的高溫高壓作用，乳化液難以進入切削區，從而無法充分冷卻，因此部分切削熱只能依靠切屑帶走，因此切屑呈暗黃色;采用油膜附水滴潤滑切削時，微量油膜附水滴在高壓高速氣流的作用下能夠滲透進入切削區，有效地對刀具和工件進行潤滑和冷卻，產生的切削熱較少，同時高速氣流可以加快刀具和工件表面的熱交換，冷卻潤滑效果比較明顯，切屑的顏色呈黃色。

3 結論

通過比較OoW切削液與干切削、乳化液冷卻潤滑的切削試驗效果，可以得出如下結論:采用OoW切削液潤滑能夠降低主切削力，降低刀具后刀面磨損，避免切屑出現“灼燒”現象。

［1］郭以偉，王愛玲，鄭智貞，等.微量油膜附水滴切削試驗研究［J］.現代制造工程，2007(9):80－82.

［2］李蓉，王愛玲，鄭智貞，等.霧狀油膜水滴冷卻潤滑加工法對車削的影響［J］.中國科技論文在線，2007(3):198－201.

［3］劉永姜，王愛玲，王彪，等.微量油膜水滴切削加工不銹鋼的效果試驗研究［J］.現代制造工程，2010(2):9－12.

［4］姜增輝，李玉朋，呂楊.切削用量對車削Ti6A14V切削力影響的研究［J］.制造技術與機床，2013(8):95－98.

［5］龐俊忠，王敏杰，錢敏，等.高速立銑P20淬硬鋼的切屑形態和切削力的試驗研究［J］.中國機械工程，2008(2):170－174.

［6］唐林虎，黃建龍，高成秀.切削速度對精密干式車削淬硬工具鋼切削力的影響［J］.制造技術與機床，2011(11):130－132.

［7］嚴魯濤，袁松梅，劉強.綠色切削高強度鋼的刀具磨損及切屑形態［J］.機械工程學報，2010(9):187－192.

［8］蘇宇，何寧，李亮.高速車削中低溫最小量潤滑方式的冷卻潤滑性能［J］.潤滑與密封，2010(9):52－55.

Study of Green Machining Technology Using Oils on W ater

LIU Yongjiang，MA Guohong，DU Panpan，LIWenju，CHEN Dongjian，SUN Houzhao
(School of Mechanical and Power Engineering，North University of China，Taiyuan Shanxi030051，China)

The cutting effect of Oils on Water(OoW)was studied through comparative experiment for cutting fluid of OoW，dry cutting and emulsion.The experimental result illustrats that，as compared with dry cutting and emulsion lubrication，using of the OoW can not only lower cutting force，but also decrease the toolwear.

OoW(Oils on Water);Cutting force;Tool wear

TH117

A

1001－3881－ (2015)21－135－3

10.3969/j.issn.1001 －3881.2015.21.032

2014－09－20

山西省自然科學基金資助項目 (2012011046－12)

劉永姜 (1970—)，男，博士，副教授，研究方向為綠色制造技術。E－mail:lyj70901@163.com。