綠色切削裝置的設(shè)計與應(yīng)用

范彬彬，劉萬山，劉思遠，梁冰玉，李雪松

綠色切削裝置的設(shè)計與應(yīng)用

范彬彬1，劉萬山2，劉思遠2，梁冰玉2，李雪松1

（1.廈門大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，福建廈門361102；2.廈門大學(xué)航空航天學(xué)院，福建廈門361005）

該金屬切削裝置基于綠色制造技術(shù)，通過綠色金屬切削加工實驗，用顯微技術(shù)對加工結(jié)果進行工藝分析，表明該裝置使用微量綠色金屬切削液，能夠取得與傳統(tǒng)濕切削相同的加工性能，減少環(huán)境污染，降低加工成本。

綠色制造；氣液兩相流；工藝分析；顯微技術(shù)

傳統(tǒng)的金屬濕切削加工，金屬切削液能夠改善工藝效果，提升加工效率，但其帶來的環(huán)境污染及成本負擔(dān)亦不容忽視。近年來綠色制造技術(shù)得以重視和研究[1]，其中微量潤滑冷卻技術(shù)將微量的金屬切削液轉(zhuǎn)變成氣液兩相流噴射到切削區(qū)域，達到冷卻潤滑雙重目的[2]，目前發(fā)展迅速。

綠色切削裝置基于微量潤滑冷卻技術(shù)工藝，功能特點是冷卻作用的水基冷卻液與潤滑作用的油基潤滑液相互獨立供給，可根據(jù)切削工況進行雙向調(diào)節(jié)用量，裝置結(jié)構(gòu)采用氣動元件模塊化設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉。

1 裝置結(jié)構(gòu)

綠色切削裝置采用氣液兩相流外部供給、雙通道傳輸[3-4]、水油雙基雙氣動原理作為結(jié)構(gòu)方案，整個裝置無需單獨的霧化單元，以氣壓作為源動力。綠色切削裝置結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。

圖1 金屬切削輔助裝置結(jié)構(gòu)方案

如圖1所示，上下支路分別為水基冷卻液和油基潤滑液，兩者與主氣路匯于噴嘴終端，在高壓下形成氣液兩相流噴出，各流體流量分別由支路調(diào)壓閥控制，在水路和油路首末端置入單向閥，以避免各分路中流體干擾和反流，在水路和油路終端放置流體流量計，監(jiān)測流量變化。

2 切削實驗

室溫下27℃對氣液兩相流噴射溫度變化進行采集，如表1所示。

表1 氣液兩相流噴射溫度采集表

溫度采集結(jié)果如圖2所示。

圖2 射流溫度采集曲線

通過圖2可以看出，氣液兩相流噴射出噴嘴后，體積瞬間增大對內(nèi)做功，溫度在瞬間降低后逐漸升高，射流溫度采集曲線中，在距離出口50 mm后溫度變化趨于平緩。

本文采用輻射高溫計對該裝置在普通車床上進行切削輔助加工試驗與切削溫度采集，機床加工參數(shù)選取為：主軸轉(zhuǎn)速N=820 r/min，切削深度a=2 mm，進給量f=0.12 mm/r，試驗每次加工長度L =100 mm，對工件進行6次切削加工，毛坯初始直徑d=40 mm.根據(jù)車削速度公式：

求得6次加工切削速度v1=103 m/min，v2=93 m/min，v3=82.3 m/min，v4=72.2 m/min，v5=67 m/min，v6=62 m/min.

裝置中水基冷卻劑選用植酸占比2%水溶液，油基潤滑劑基礎(chǔ)油選用大豆植物油，噴嘴離工件距離選取50 mm，主干氣路氣源處理器氣壓控制為0.8 MPa，氣路調(diào)壓閥氣壓控制為0.4 MPa，水路調(diào)壓閥氣壓控制0.3～0.6 MPa，油路調(diào)壓閥氣壓控制0.4～0.5 MPa.

除傳統(tǒng)濕切削以及干切削，裝置分別設(shè)置為純氣切削、油霧切削、水霧切削、水油混合切削等切削方式，用紅外測溫儀對切削溫度進行采集，如表2所示。

表2 切削溫度采集表

油霧切削油基用量8 mL/min；

水霧切削水基用量14 mL/min；

混合A油基用量2 mL/min，水基用量4 mL/min；

混合B油基用量3 mL/min，水基用量5 mL/min；

混合C油基用量4 mL/min，水基用量6 ml/min.

切削溫度采集曲線如圖3所示。

圖3 切削溫度采集曲線

在車削加工中，切削熱被切屑帶走的有50%～80%，傳導(dǎo)到刀具20%～40%，傳導(dǎo)到工件占比10%以下[5]，因此本試驗采集的溫度不是絕對的切削溫度，僅作為比對數(shù)據(jù)。

通過對比可以看出，干切削加工切削溫度明顯高于其他切削方式，濕切削可以將切削溫度控制在常溫區(qū)間，噴氣切削、油霧切削[6]、水霧切削可以不同程度降低切削溫度，水油混合切削C加工冷卻效果基本達到濕切削加工方式，此時油基切削液用量4 mL/min，主干氣路氣源處理器氣壓控制為0.8 MPa，氣路調(diào)壓閥氣壓控制為0.4 MPa，水路調(diào)壓閥氣壓控制0.48 MPa，油路調(diào)壓閥氣壓控制0.53 MPa.

3 工藝分析

根據(jù)切削試驗采集的切削溫度變化，本節(jié)對干切削、濕切削、混合C的切屑狀態(tài)、工件表面與刀具磨損模型[7]通過顯微技術(shù)進行工藝分析。見圖4.

圖4 切屑分析

通過顯微技術(shù)可以清晰地顯示出干切削加工切屑呈紫色，邊緣具有明顯的鋸齒狀條紋，整個切屑的紋理較粗；濕切削與混合C切屑呈金黃色，邊緣條紋鋸齒較小，整個切屑紋理相對較細，而且干切削切屑呈帶狀纏繞，不易斷裂，濕切削與混合C切屑呈條狀易斷裂。見圖5.

圖5 工件表面工藝效果分析

干切削加工的工件表面具有不規(guī)則的燒結(jié)點，表面粗糙度比較大，濕切削與混合C工件表面具有規(guī)律的紋理，工藝效果明顯優(yōu)于干切削加工。見圖6.

圖6 切削刀具磨損分析

干切削刀具的刀刃發(fā)生明顯破損，主后刀面也發(fā)生較大的磨損，濕切削加工與混合C加工刀具的刀刃破損與主后刀面磨損量明顯優(yōu)于干切削加工，但車床加工中會偶爾發(fā)生切屑阻擋住噴嘴的射流，混合C加工的刀具的破損與磨損要比濕切削加工略微大一些。

由此，通過對切屑、工件表面以及刀具磨損的分析，該裝置的加工效果基本達到濕切削效果。

4 結(jié)論

綠色切削裝置使用微量的油基潤滑液水基冷卻液進行配比，即可達到與傳統(tǒng)濕切削相同的工藝效果，其結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、體積小、布局方便，易于對現(xiàn)有機床進行技術(shù)改造。

[1]劉志峰，宋守許.綠色產(chǎn)品制造技術(shù)—清潔生產(chǎn)[J].機械科學(xué)與技術(shù)，1996（3）：419-422.

[2]陳德成，鈴木康夫，酒井克彥.復(fù)合噴霧加工法在切削加工過程中的冷卻和潤滑效果[J].中國機械工程，2000，11（9）：1035-1038.

[3]沈福金.干切削加工時代即將來臨[J].產(chǎn)品與技術(shù)，2007（2）：46-47.

[4]閏通海，閏強，弓海霞.一種新型氣液混合冷卻裝置的設(shè)計[J].應(yīng)用科技，2000，27（9）：3-5.

[5]劉志峰，張崇高，任家隆，等.干切削加工技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[6]傅婷婷.空氣油霧定量控制冷卻裝置的研究[D].南京：南京理工大學(xué)，2008.

[7]劉戰(zhàn)強，黃傳真，萬熠，等.切削溫度測量方法綜述[J].工具技術(shù)，2002（36）：4-6.

Development and Experiment of Green Cutting Device

FAN Bin-bin1，LIU Wan-shan2，LIU Si-yuan2，LIANG Bing-yu2，LI Xue-song1
（1.School of Life Sciences，Xiamen University，Xiamen Fujian 361102，China；2.School of Aerospace Engineering，Xiamen University，Xiamen Fujian 361005，China）

Green manufacturing technology based on the metal cutting device，through the experiment of green metal cutting，using micro technology on processing results for process analysis，show that the device using micro green metal cutting fluid，can be achieved with traditional wet machining the same performance，reduce environmental pollution，reduce processing costs.

green cutting；gas-liquid two-phase flow；technique analysis；microscopic technology

TH706

A

1672-545X（2017）07-0209-03

2017-04-04

范彬彬（1981-），女，黑龍江克東人，工程碩士，工程師，研究方向為測量技術(shù)與儀器；劉萬山（1979-），男，山東臨沂人，工程碩士，工程師，研究方向為機械設(shè)計制造及其自動化。