微量油膜附水滴切削40Cr合金結構鋼試驗研究*

王 洋 劉永姜 姚貝貝 杜盼盼 馬國紅

(中北大學機械與動力工程學院，山西 太原 030051)

金屬切削加工在切削時會產生大量的切削熱，使刀具、工件的溫度升高。在傳統的切削加工中，需要使用大量切削液澆注在切削區，以起到冷卻、潤滑、清洗、排屑和防銹等作用［1］。但是，隨著切削液作為冷卻潤滑劑的大量使用，與此同時帶來了新的問題:(1)增加制造成本和廢液處理成本;(2)處理不當、不及時會嚴重污染環境;(3)嚴重威脅操作工人的身體健康［2］。解決切削液問題最直接有效的方法就是采用少、無切削液的——綠色加工技術［3］。人們在尋找新的切削潤滑冷卻技術的過程中，進行了多方面有益的嘗試，發展出了多種綠色制造技術:干切削、低溫冷風切削［4］、最少量潤滑技術——MQL(minimal quantities of lubricant)［5］和微量油膜附(oil on water，OoW)滴冷卻潤滑技術［6］等新型綠色加工技術。

OoW切削液是使用冷空氣、微量可自然降解油劑和少量水在噴嘴槍內充分霧化形成的可自然降解、新型綠色切削液，具有廉價、無污染及加工廢液零排放等優點。根據油脂化學、界面化學反應原理，可自然降解油劑的油分子具有親水基(負離子)和疏水基(陽離子)，油分子(脂肪酸)會一個一個地并排吸附在水的界面上。由于油分子的擴張性，成千上萬個油分子吸附的結果是使水分子的界面上形成一層薄油膜，從而形成油膜附水滴(OoW)［7］。

如圖1油膜附水滴(OoW)切削液冷卻潤滑機理示意圖。油膜附水滴在高壓空氣的作用下噴射到切削加工區。當油膜附水滴與刀具或者工件表面接觸時，附著在水滴表面的油膜破裂，并附著在刀具或工件表面達到潤滑的效果;當油膜破裂后，由于切削區的高溫作用，水滴會迅速霧化、沸騰、汽化，使水滴產生劇烈翻動，使水滴進一步汽化，并帶走切削產生的大量熱量，從而起到冷卻的作用［8］。

1 實驗研究

1.1 試驗方法

為了研究微量油膜水滴切削液在車削時對切削力、表面粗糙度的影響，使用不同類型的硬質合金刀具對40Cr合金結構鋼，分別在干切削、乳化液和油膜附水滴做冷卻潤滑劑條件下進行切削加工試驗。分別觀測切削力和表面粗糙度變化。

1.2 試驗設備

(1)OoW切削液供給裝置:油膜水滴多功能供液裝置及特殊多段式噴嘴(圖2)。

(2)機床:型號為 C620－1的普通車床。

(3)刀具材料:硬質合金YNG151C。

表1 刀具幾何參數

(4)工件材料:40Cr合金結構鋼;直徑50mm，長度500mm。

表2 工件的力學性能

(5)OoW切削液用油:菜籽油，動粘度7.6mm2/s。

(6)測量裝置:KISTLER－9272型四分力車削測力儀、KEYENCE VHX－600超景深三維顯微系統、JB－5C粗糙度輪廓測試儀、計算機，游標卡尺。

1.3 實驗條件

本次試驗的切削加工工藝全部在C620－1的普通機床上進行的車外圓加工。為了與油膜附水滴切削加工方式進行比較，本次試驗設置了干切削、乳化液潤滑切削作為對比試驗。本次實驗主要的切削加工條件及切削用量參數如表3所示。

表3 切削加工條件

2 實驗結果與分析

2.1 切削力

表4所示為在切削速度v=85 m/min，切深ap=0.4mm條件下，采用KISTLER－9272型四分力車削測力儀在不同進給量f條件下測得的切削力Fc、Fp、Ff。根據表4中的數據繪制 Fc、FP、Ff—f關系曲線如圖3所示。

表4 切削力數據表

由圖3可知，當v、ap不變，進給量f變化時，使用油膜水滴作切削液時主切削力Fc、徑向力Fp、進給力Ff比干切削和乳化液潤滑時都小。采用以下公式計算相對減小百分比。

分析試驗結果表明，使用微量油膜水滴作切削液，比在干切削、使用乳化液條件下切削力都小。這是因為，油膜附水滴切削液噴射進入刀具—工件、刀具—切屑的接觸區，油膜破裂粘附在刀具、工件材料表面和切屑表面，形成邊界潤滑層，降低了刀具—工件之間的摩擦，減小了刀屑接觸長度，減輕了刀—屑間的粘結，使切屑底層的滯流現象減輕，塑性流動加快，即減小了內摩擦，使得平均摩擦系數減小，變形減小，從而減小了切削力。

表5 用油膜水滴潤滑時比干切削、乳化液減小的百分比

2.2 表面粗糙度

表6所示為在切削速度v=85 m/min，切深ap=0.4mm條件下，采用JB－5C粗糙度輪廓測試儀在不同進給量條件下，測得的不同潤滑條件的表面粗糙度值。根據表6中的數據繪制Ra－f關系變化曲線如圖4所示。

表6 表面粗糙度數據表

由圖4可知，當v、ap不變，進給量f變化時，使用油膜水滴作切削液時表面粗糙度比干切削和乳化液潤滑時都小。針對表6中的數據，采用公式(3)計算，減小的百分比見表7。

表7 用油膜水滴潤滑時相對干切削、乳化液表面粗糙度減小百分比

分析實驗結果表明，采用OoW冷卻時獲得的表面粗糙度值更小。被加工表面的粗糙度值相對干切削、乳化液時減小11%、4%。原因是OoW切削液可以進入到刀具—切屑接觸表面和刀具—工件表面之間，可降解的植物油分子會形成表面潤滑薄膜，有效地減小切屑、刀具與被加工表面之間的摩擦，減輕了切削區材料的變形程度、切屑與前刀面的粘結，抑制積屑瘤及鱗刺的產生，減小表面粗糙度值。利用乳化液的潤滑作用，在刀具和工件之間形成一層潤滑膜，但是由于它的穿透能力差，不能穿過切削液遇熱形成的蒸汽膜進行持續地潤滑，因而表面粗糙度不如前者。干切削時由于沒有使用任何潤滑介質，所以取得的粗糙度值較大。

3 結語

試驗結果表明:

(1)在干切削、乳化液、使用微量油膜水滴(OoW)切削液條件下車削，OoW潤滑時主切削力Fc可分別平均減小19%、10%。

(2)在干切削、乳化液、使用微量油膜水滴(OoW)切削液條件下車削，OoW潤滑時徑向力Fp可分別平均減小17%、7%。

(3)在干切削、乳化液、使用微量油膜水滴(OoW)切削液條件下車削，OoW潤滑時進給力Ff可分別平均減小9%、5%。

(4)OoW潤滑時能夠取得較好的表面加工質量，表面粗糙度值相對于干切削、乳化液的平均減小11%、4%。

油膜水滴(OoW)切削液可以達到與干切削、使用乳化液切削同等及以上的切削性能，應用在切削加工上具有明顯優勢。

［1］周春宏，趙汀，姚振強.最少量潤滑切削技術(MQL)——經濟有效的綠色制造方法［J］.機械設計與研究，2005，21(5):81－83.

［2］陳東建，劉永姜，邵延君，等.鈦合金車削中的低溫油膜水滴冷卻潤滑技術［J］.機械設計與制造，2014(1):118－120.

［3］肖壽仁，謝世坤，桂國慶，等.綠色切削加工技術的研究及其應用［J］. 煤礦機械，2006，27(12):101 －103.

［4］蘇宇，何寧，李亮.冷風切削對高速切削難加工材料刀具磨損的影響［J］.摩擦學學報，2010(5):485－490.

［5］張春燕，王貴成，裴宏杰，等.MQL切削液的選擇［J］.江蘇大學學報:自然科學版，2010，31(1):15 －18.

［6］石世發，王彪，王棟，等.微量油膜附水冷卻潤滑技術在準干式深孔中的應用［J］.煤礦機械，2011(7):123－124.

［7］李文舉，王彪，劉永姜.1Cr18Ni9Ti不銹鋼車削加工中油膜附水滴冷卻潤滑技術研究［J］.中國機械工程，2014，25(6):747－748.

［8］魏源遷，錢怡，王愛玲，等.微量油膜附水滴切削液的研究［J］.中國機械工程，2004，15(4):295 －296.