微量油膜附水滴切削40Cr合金結(jié)構(gòu)鋼試驗(yàn)研究*

王 洋 劉永姜 姚貝貝 杜盼盼 馬國紅

(中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051)

金屬切削加工在切削時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，使刀具、工件的溫度升高。在傳統(tǒng)的切削加工中，需要使用大量切削液澆注在切削區(qū)，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(shí)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(dāng)、不及時(shí)會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境;(3)嚴(yán)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(shù)［3］。人們?cè)趯ふ倚碌那邢鳚櫥鋮s技術(shù)的過程中，進(jìn)行了多方面有益的嘗試，發(fā)展出了多種綠色制造技術(shù):干切削、低溫冷風(fēng)切削［4］、最少量潤滑技術(shù)——MQL(minimal quantities of lubricant)［5］和微量油膜附(oil on water，OoW)滴冷卻潤滑技術(shù)［6］等新型綠色加工技術(shù)。

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(nèi)充分霧化形成的可自然降解、新型綠色切削液，具有廉價(jià)、無污染及加工廢液零排放等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)油脂化學(xué)、界面化學(xué)反應(yīng)原理，可自然降解油劑的油分子具有親水基(負(fù)離子)和疏水基(陽離子)，油分子(脂肪酸)會(huì)一個(gè)一個(gè)地并排吸附在水的界面上。由于油分子的擴(kuò)張性，成千上萬個(gè)油分子吸附的結(jié)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(jī)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(qū)。當(dāng)油膜附水滴與刀具或者工件表面接觸時(shí)，附著在水滴表面的油膜破裂，并附著在刀具或工件表面達(dá)到潤滑的效果;當(dāng)油膜破裂后，由于切削區(qū)的高溫作用，水滴會(huì)迅速霧化、沸騰、汽化，使水滴產(chǎn)生劇烈翻動(dòng)，使水滴進(jìn)一步汽化，并帶走切削產(chǎn)生的大量熱量，從而起到冷卻的作用［8］。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 試驗(yàn)方法

為了研究微量油膜水滴切削液在車削時(shí)對(duì)切削力、表面粗糙度的影響，使用不同類型的硬質(zhì)合金刀具對(duì)40Cr合金結(jié)構(gòu)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(jìn)行切削加工試驗(yàn)。分別觀測切削力和表面粗糙度變化。

1.2 試驗(yàn)設(shè)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(jī)床:型號(hào)為 C620－1的普通車床。

(3)刀具材料:硬質(zhì)合金YNG151C。

表1 刀具幾何參數(shù)

(4)工件材料:40Cr合金結(jié)構(gòu)鋼;直徑50mm，長度500mm。

表2 工件的力學(xué)性能

(5)OoW切削液用油:菜籽油，動(dòng)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(tǒng)、JB－5C粗糙度輪廓測試儀、計(jì)算機(jī)，游標(biāo)卡尺。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

本次試驗(yàn)的切削加工工藝全部在C620－1的普通機(jī)床上進(jìn)行的車外圓加工。為了與油膜附水滴切削加工方式進(jìn)行比較，本次試驗(yàn)設(shè)置了干切削、乳化液潤滑切削作為對(duì)比試驗(yàn)。本次實(shí)驗(yàn)主要的切削加工條件及切削用量參數(shù)如表3所示。

表3 切削加工條件

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jìn)給量f條件下測得的切削力Fc、Fp、Ff。根據(jù)表4中的數(shù)據(jù)繪制 Fc、FP、Ff—f關(guān)系曲線如圖3所示。

表4 切削力數(shù)據(jù)表

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

分析試驗(yàn)結(jié)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?yàn)椋湍じ剿吻邢饕簢娚溥M(jìn)入刀具—工件、刀具—切屑的接觸區(qū)，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(jié)，使切屑底層的滯流現(xiàn)象減輕，塑性流動(dòng)加快，即減小了內(nèi)摩擦，使得平均摩擦系數(shù)減小，變形減小，從而減小了切削力。

表5 用油膜水滴潤滑時(shí)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(jìn)給量條件下，測得的不同潤滑條件的表面粗糙度值。根據(jù)表6中的數(shù)據(jù)繪制Ra－f關(guān)系變化曲線如圖4所示。

表6 表面粗糙度數(shù)據(jù)表

由圖4可知，當(dāng)v、ap不變，進(jìn)給量f變化時(shí)，使用油膜水滴作切削液時(shí)表面粗糙度比干切削和乳化液潤滑時(shí)都小。針對(duì)表6中的數(shù)據(jù)，采用公式(3)計(jì)算，減小的百分比見表7。

表7 用油膜水滴潤滑時(shí)相對(duì)干切削、乳化液表面粗糙度減小百分比

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用OoW冷卻時(shí)獲得的表面粗糙度值更小。被加工表面的粗糙度值相對(duì)干切削、乳化液時(shí)減小11%、4%。原因是OoW切削液可以進(jìn)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(huì)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(qū)材料的變形程度、切屑與前刀面的粘結(jié)，抑制積屑瘤及鱗刺的產(chǎn)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(jìn)行持續(xù)地潤滑，因而表面粗糙度不如前者。干切削時(shí)由于沒有使用任何潤滑介質(zhì)，所以取得的粗糙度值較大。

3 結(jié)語

試驗(yàn)結(jié)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(shí)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(shí)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(shí)進(jìn)給力Ff可分別平均減小9%、5%。

(4)OoW潤滑時(shí)能夠取得較好的表面加工質(zhì)量，表面粗糙度值相對(duì)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(dá)到與干切削、使用乳化液切削同等及以上的切削性能，應(yīng)用在切削加工上具有明顯優(yōu)勢。

［1］周春宏，趙汀，姚振強(qiáng).最少量潤滑切削技術(shù)(MQL)——經(jīng)濟(jì)有效的綠色制造方法［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2005，21(5):81－83.

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