微量油膜附水滴切削40Cr合金结构钢试验研究*

王 洋 刘永姜 姚贝贝 杜盼盼 马国红

(中北大学机械与动力工程学院，山西 太原 030051)

金属切削加工在切削时会产生大量的切削热，使刀具、工件的温度升高。在传统的切削加工中，需要使用大量切削液浇注在切削区，以起到冷却、润滑、清洗、排屑和防锈等作用［1］。但是，随着切削液作为冷却润滑剂的大量使用，与此同时带来了新的问题:(1)增加制造成本和废液处理成本;(2)处理不当、不及时会严重污染环境;(3)严重威胁操作工人的身体健康［2］。解决切削液问题最直接有效的方法就是采用少、无切削液的——绿色加工技术［3］。人们在寻找新的切削润滑冷却技术的过程中，进行了多方面有益的尝试，发展出了多种绿色制造技术:干切削、低温冷风切削［4］、最少量润滑技术——MQL(minimal quantities of lubricant)［5］和微量油膜附(oil on water，OoW)滴冷却润滑技术［6］等新型绿色加工技术。

OoW切削液是使用冷空气、微量可自然降解油剂和少量水在喷嘴枪内充分雾化形成的可自然降解、新型绿色切削液，具有廉价、无污染及加工废液零排放等优点。根据油脂化学、界面化学反应原理，可自然降解油剂的油分子具有亲水基(负离子)和疏水基(阳离子)，油分子(脂肪酸)会一个一个地并排吸附在水的界面上。由于油分子的扩张性，成千上万个油分子吸附的结果是使水分子的界面上形成一层薄油膜，从而形成油膜附水滴(OoW)［7］。

如图1油膜附水滴(OoW)切削液冷却润滑机理示意图。油膜附水滴在高压空气的作用下喷射到切削加工区。当油膜附水滴与刀具或者工件表面接触时，附着在水滴表面的油膜破裂，并附着在刀具或工件表面达到润滑的效果;当油膜破裂后，由于切削区的高温作用，水滴会迅速雾化、沸腾、汽化，使水滴产生剧烈翻动，使水滴进一步汽化，并带走切削产生的大量热量，从而起到冷却的作用［8］。

1 实验研究

1.1 试验方法

为了研究微量油膜水滴切削液在车削时对切削力、表面粗糙度的影响，使用不同类型的硬质合金刀具对40Cr合金结构钢，分别在干切削、乳化液和油膜附水滴做冷却润滑剂条件下进行切削加工试验。分别观测切削力和表面粗糙度变化。

1.2 试验设备

(1)OoW切削液供给装置:油膜水滴多功能供液装置及特殊多段式喷嘴(图2)。

(2)机床:型号为 C620－1的普通车床。

(3)刀具材料:硬质合金YNG151C。

表1 刀具几何参数

(4)工件材料:40Cr合金结构钢;直径50mm，长度500mm。

表2 工件的力学性能

(5)OoW切削液用油:菜籽油，动粘度7.6mm2/s。

(6)测量装置:KISTLER－9272型四分力车削测力仪、KEYENCE VHX－600超景深三维显微系统、JB－5C粗糙度轮廓测试仪、计算机，游标卡尺。

1.3 实验条件

本次试验的切削加工工艺全部在C620－1的普通机床上进行的车外圆加工。为了与油膜附水滴切削加工方式进行比较，本次试验设置了干切削、乳化液润滑切削作为对比试验。本次实验主要的切削加工条件及切削用量参数如表3所示。

表3 切削加工条件

2 实验结果与分析

2.1 切削力

表4所示为在切削速度v=85 m/min，切深ap=0.4mm条件下，采用KISTLER－9272型四分力车削测力仪在不同进给量f条件下测得的切削力Fc、Fp、Ff。根据表4中的数据绘制 Fc、FP、Ff—f关系曲线如图3所示。

表4 切削力数据表

由图3可知，当v、ap不变，进给量f变化时，使用油膜水滴作切削液时主切削力Fc、径向力Fp、进给力Ff比干切削和乳化液润滑时都小。采用以下公式计算相对减小百分比。

分析试验结果表明，使用微量油膜水滴作切削液，比在干切削、使用乳化液条件下切削力都小。这是因为，油膜附水滴切削液喷射进入刀具—工件、刀具—切屑的接触区，油膜破裂粘附在刀具、工件材料表面和切屑表面，形成边界润滑层，降低了刀具—工件之间的摩擦，减小了刀屑接触长度，减轻了刀—屑间的粘结，使切屑底层的滞流现象减轻，塑性流动加快，即减小了内摩擦，使得平均摩擦系数减小，变形减小，从而减小了切削力。

表5 用油膜水滴润滑时比干切削、乳化液减小的百分比

2.2 表面粗糙度

表6所示为在切削速度v=85 m/min，切深ap=0.4mm条件下，采用JB－5C粗糙度轮廓测试仪在不同进给量条件下，测得的不同润滑条件的表面粗糙度值。根据表6中的数据绘制Ra－f关系变化曲线如图4所示。

表6 表面粗糙度数据表

由图4可知，当v、ap不变，进给量f变化时，使用油膜水滴作切削液时表面粗糙度比干切削和乳化液润滑时都小。针对表6中的数据，采用公式(3)计算，减小的百分比见表7。

表7 用油膜水滴润滑时相对干切削、乳化液表面粗糙度减小百分比

分析实验结果表明，采用OoW冷却时获得的表面粗糙度值更小。被加工表面的粗糙度值相对干切削、乳化液时减小11%、4%。原因是OoW切削液可以进入到刀具—切屑接触表面和刀具—工件表面之间，可降解的植物油分子会形成表面润滑薄膜，有效地减小切屑、刀具与被加工表面之间的摩擦，减轻了切削区材料的变形程度、切屑与前刀面的粘结，抑制积屑瘤及鳞刺的产生，减小表面粗糙度值。利用乳化液的润滑作用，在刀具和工件之间形成一层润滑膜，但是由于它的穿透能力差，不能穿过切削液遇热形成的蒸汽膜进行持续地润滑，因而表面粗糙度不如前者。干切削时由于没有使用任何润滑介质，所以取得的粗糙度值较大。

3 结语

试验结果表明:

(1)在干切削、乳化液、使用微量油膜水滴(OoW)切削液条件下车削，OoW润滑时主切削力Fc可分别平均减小19%、10%。

(2)在干切削、乳化液、使用微量油膜水滴(OoW)切削液条件下车削，OoW润滑时径向力Fp可分别平均减小17%、7%。

(3)在干切削、乳化液、使用微量油膜水滴(OoW)切削液条件下车削，OoW润滑时进给力Ff可分别平均减小9%、5%。

(4)OoW润滑时能够取得较好的表面加工质量，表面粗糙度值相对于干切削、乳化液的平均减小11%、4%。

油膜水滴(OoW)切削液可以达到与干切削、使用乳化液切削同等及以上的切削性能，应用在切削加工上具有明显优势。

［1］周春宏，赵汀，姚振强.最少量润滑切削技术(MQL)——经济有效的绿色制造方法［J］.机械设计与研究，2005，21(5):81－83.

［2］陈东建，刘永姜，邵延君，等.钛合金车削中的低温油膜水滴冷却润滑技术［J］.机械设计与制造，2014(1):118－120.

［3］肖寿仁，谢世坤，桂国庆，等.绿色切削加工技术的研究及其应用［J］. 煤矿机械，2006，27(12):101 －103.

［4］苏宇，何宁，李亮.冷风切削对高速切削难加工材料刀具磨损的影响［J］.摩擦学学报，2010(5):485－490.

［5］张春燕，王贵成，裴宏杰，等.MQL切削液的选择［J］.江苏大学学报:自然科学版，2010，31(1):15 －18.

［6］石世发，王彪，王栋，等.微量油膜附水冷却润滑技术在准干式深孔中的应用［J］.煤矿机械，2011(7):123－124.

［7］李文举，王彪，刘永姜.1Cr18Ni9Ti不锈钢车削加工中油膜附水滴冷却润滑技术研究［J］.中国机械工程，2014，25(6):747－748.

［8］魏源迁，钱怡，王爱玲，等.微量油膜附水滴切削液的研究［J］.中国机械工程，2004，15(4):295 －296.