納米流體微量潤滑銑削潤滑性能的實驗研究*

柏秀芳，董 蘭，李長河，張月雷

(1.青島濱海學院 機電工程學院，山東 青島 266555；2.青島理工大學 機械工程學院，山東 青島 266033)

0 引言

傳統(tǒng)銑削加工中，通常向銑削區(qū)澆注大量切削液來降低切削溫度。切削液對于冷卻、潤滑、防銹、輔助排屑等具有一定的作用，同時對于保證加工工件的表面質量，延長刀具壽命，提高加工效率等都有很好的作用。然而，因刀具和切屑，刀具和工件接觸界面存在著很高的壓力，使得向銑削區(qū)澆注大量切削液時，能夠進入銑削區(qū)并真正起到冷卻潤滑作用的有效切削液僅占極小的比例，無法對銑削區(qū)進行有效地換熱[1]，并且大量使用切削液會使生產成本大大增加[2]。此外，大量使用切削液不僅對環(huán)境造成嚴重污染，還會危害人體的健康[3]。因此迫切需要開發(fā)綠色高效的冷卻潤滑技術，以有效降低銑削溫度，提高工件表面質量，延長刀具壽命。

納米流體微量潤滑是將一定量的納米級固體顆粒加入到可降解的微量潤滑油中形成納米流體，通過高壓空氣將納米流體進行霧化，并噴射到切削區(qū)的一種冷卻潤滑方法。國外研究人員在納米流體銑削性能方面進行了相關的研究。Park[4]發(fā)現(xiàn)用納米流體在微量潤滑銑削中可以獲得更好的性能，尤其在切削刃的磨損方面。Sayuti[5]對航空硬鋁材料在立式銑床進行銑削加工，用碳納米流體與傳統(tǒng)切削液相比較，發(fā)現(xiàn)切削力降低了21.99% ，表面粗糙度降低了46.32% 。Sayuti[6]通過實驗發(fā)現(xiàn)，當氣流壓力為0.2MPa，納米粒子濃度較高，噴嘴角度為30°時獲得的工件表面質量最好，而當氣流壓力較高，納米粒子濃度較低，噴嘴角度為15°時獲得的切削溫度最低。Marcon[7]等制備了石墨-水納米流體，并用于工件微量潤滑銑削中，結果表明納米流體微量潤滑相對于干切削，可以明顯減小切削力，提高工件表面質量。Rahmati[8]通過銑削實驗發(fā)現(xiàn)，當采用MoS2納米流體時，工件的表面質量提高。Rahmati[9]發(fā)現(xiàn)，當氣流壓力為0.4MPa，礦物油中納米顆粒的質量分數(shù)為0.5%，噴嘴角度為30°時，切削溫度最低。但最好的表面質量卻是在噴嘴角度為60°時獲得。Najiha[10]研究了在用水基TiO2納米流體銑削鋁合金時切削參數(shù)對磨損機理的影響。Hadi[11]研究了γ-AL2O3納米粒子對AISI D3不銹鋼工件的銑削性能影響。實驗結果表明，當植物油基中納米粒子體積分數(shù)為2%時，表面粗糙度比純微量潤滑液降低了0.5mm，提高了25%。目前國內在微量潤滑銑削方面主要集中在低溫冷卻微量潤滑研究，納米流體微量潤滑銑削還未見相關研究報道。本文在干式、澆注式、微量潤滑、納米流體微量潤滑四種工況下，分別從銑削力，銑削溫度和表面粗糙度方面進行銑削性能研究。

1 實驗方案

1.1 實驗設備

實驗是在加工中心上進行，納米流體輸送裝置采用KS-2106 油氣微量潤滑裝置; 測力儀采用JR-YDCL-III05B 壓電式三向測力儀; 采用SC6C觸針式表面粗糙度測量儀測量工件表面粗糙度，采用熱力偶測溫度。實驗裝置如圖1所示。

(a)銑削裝置 (b)微量供油裝置圖1 實驗裝置

1.2 實驗材料及條件

銑削加工工件采用45鋼，規(guī)格尺寸為100×65×60。微量潤滑基油采用棕櫚油，納米粒子采用直徑 70nm 的 AL2O3納米粒子。表1 列舉了棕櫚油的基本性質。

表1 棕櫚油的基本性質

其他實驗條件如表2。

表2 切削參數(shù)

2 實驗結果分析

2.1 切削力對比

圖2 銑削力示意圖

銑削時每個工作刀齒都受切削力，銑刀總切削力應是各刀齒所受切削力之和。由于銑削過程是斷續(xù)的，并且每個工作刀齒的切削位置和切削面積隨時在變化。銑削加工中，作用在銑削刃前后刀面的切向力Ft，徑向力Fr及軸向力，如圖2所示。

為便于分析，假定銑刀總切削力F作用在某個刀齒上，并將F分解3個互相垂直的分力Fx,Fy,Fz。把Ft和Fr和軸向力向x,y和z三個方向分解，則可以得到Fx,Fy和Fz三個方向的銑削分力，此三個分力可由測力儀測得，采樣圖形如圖3所示。

圖3 銑削力采樣圖形

圖3為納米流體微量潤滑條件下切削力隨時間的變化趨勢，圖中反映了每一時刻切削力的變化數(shù)值。銑削為斷續(xù)切削過程，刀齒切入和切出工件的時間段為一個周期。從圖中可以看出，三個方向的銑削力在一個周期里從最小增加到最大，隨后又從最大減小為最小。然后由正到負進行變化，其絕對值先增大后減小。其中，F(xiàn)x和Fy的值較大。其他三種潤滑方式變化趨勢與納米流體微量潤滑的變化趨勢相同。在兩個銑削周期之間，如果沒有刀齒參與切削并且不存在振動時，銑削力為零。

銑削力在一個刀齒切削周期中，都有個最大值，定義Fxmax，F(xiàn)ymax,Fzmax為一次走刀時間中每個銑削周期最大值的平均值。即：

(1)

由式(1)計算所得的四種潤滑方式下的最大平均切削力如圖4所示。

圖4 四種工況下的切削力

由圖4可看出，澆注式銑削、微量潤滑銑削和納米流體微量潤滑銑削在整個加工過程中，切向力、法向力和軸向力與干銑削相比都降低了，說明銑削過程中使用切削液可以降低銑削力。在四種工況下，納米流體微量潤滑銑削得到的三個方向的銑削力最小，微量潤滑得到的銑削力次之，然后是澆注式銑削，干銑削得到的銑削力最大。對于干式銑削來說由于沒用任何切削液，其加工過程中產生的銑削力最高，分別為Fx=300N,Fy=221N,Fz=90N。澆注式銑削雖然借助大量的切削液帶走鐵屑，減少了摩擦，但能夠進入切削區(qū)并真正起到潤滑作用的有效切削液僅占極小的比例，因此切削力比干式銑削有所降低，但不是最低。微量潤滑銑削中，雖然潤滑液用量少，但因為是植物油，有一層油膜潤滑，因此潤滑效果比澆注式有所提高。納米流體微量潤滑中因為MOS2納米顆粒的潤滑特性使銑刀與工件的摩擦力減小，再加上植物油基的油膜潤滑，因此銑削力最小，分別為Fx=255N,Fy=179N,Fz=77N，比干式銑削分別降低了15%，19%和14%。在同樣銑削力的情況下，傳統(tǒng)澆注式銑削液用量為20～100L/min，微量潤滑用量僅為0.03～0.3L/h，因此，納米流體微量潤滑銑削較澆注式潤滑最大的改善就是明顯減少了切削液的用量。

2.2 溫度對比

銑削加工過程中，由于刀具和工件相互擠壓變形，消耗的能量大部分轉化為熱量聚集在銑削區(qū)，銑削區(qū)溫度過高易使工件出現(xiàn)燒傷、裂紋等現(xiàn)象。在四種工況下得到的銑削溫度如圖5所示。

圖5 四種工況下的溫度

由圖5可知，干式銑削得到的溫度最高，峰值為159.3℃，澆注式銑削得到的溫升最低，峰值為114.3℃。兩種條件下得到的溫差將近100℃，說明澆注式銑削加工時在切削液的冷卻作用下可以顯著降低銑削區(qū)溫度。微量潤滑銑削溫度峰值為140.1℃，比干式銑削降低了19.2℃，這主要是由于植物油的冷卻和潤滑性能，微量潤滑銑削溫度介于澆注式和干銑削之間，雖然沒有澆注式冷卻效果那么明顯，但也能傳遞并帶走一些熱量，達到降溫的效果。納米流體微量潤滑銑削溫度峰值為117.8℃，納米流體微量潤滑與微量潤滑兩種工況下植物潤滑油用量相同，造成銑削溫度不同的原因主要是固體納米顆粒的導熱能力大于液體的導熱能力，所以納米流體微量潤滑得到的銑削溫度比微量潤滑得到的銑削溫度要低。納米流體微量潤滑的冷卻效果最接近于澆注式銑削，但卻比澆注式銑削消耗更少的切削液，而且潤滑液為可降解、對環(huán)境和人體無害的植物油。

2.3 表面粗糙度對比

銑削過程中的潤滑作用將直接影響表面粗糙度的大小和工件表面的質量，在四種冷卻方式下，工件表面粗糙度如圖6所示。

(a)Ra

(b)Rz圖6 四種工況下的表面粗糙度

由圖6可知，干式銑削由于缺少冷卻液的潤滑作用獲得的表面粗糙度值最大，表面質量最差，所測得的Ra值為4.6μm，Rz值為20.2μm。而采用澆注式、微量潤滑、納米流體微量潤滑進行銑削，表面粗糙度值都有了不同程度的下降。其中，澆注式銑削獲得的Ra值為2.9μm，Rz值為10.8，比干式銑削分別降低了37.0%和46.5%。澆注式銑削可以借助大量的切削液帶走切屑，具有高效的去屑能力，減少了由切屑造成的工件表面劃傷，因此工件表面質量有所提高。采用微量潤滑銑削獲得的Ra值為2.5μm，Rz值為8.1μm，比干式銑削分別降低了45.7%和59.9%，獲得了比澆注式潤滑更好的表面質量。這說明雖然微量潤滑液流量較小，但因為植物油在工件和刀具之間形成一層油膜，起到了潤滑作用，因此獲得的表面質量較好。而采用納米流體微量潤滑銑削獲得的表面粗糙度最小，表面質量最好，Ra值為2.3μm，Rz值為7.3μm，比干式潤滑分別降低了50%和63.5%。納米流體微量潤滑銑削獲得的表面質量優(yōu)于微量潤滑銑削，主要是由于納米顆粒的抗磨減摩特性，減小了銑削力和摩擦，使銑削區(qū)溫度降低，保證了工件的表面質量。納米流體微量潤滑可以為銑削提供好的潤滑條件，其工件質量趕超澆注式潤滑加工工件質量。因此納米流體微量潤滑可以替代澆注式成為綠色環(huán)保的銑削加工方式。

3 結論

在干式、澆注式、微量潤滑和納米流體微量潤滑四種工況下進行銑削試驗研究，并將得到的銑削力、銑削溫度和表面粗糙度進行對比，經過初步研究得出以下結論：

(1)納米流體微量潤滑銑削得到的三個方向的銑削力最小，微量潤滑次之，然后是澆注式銑削，干銑削得到的銑削力最大。納米流體微量潤滑條件下之所以得到的銑削力最小，主要是因為MoS2納米粒子的抗磨減摩特性，使銑刀與工件的摩擦力減小，同時潤滑液中植物油基在工件和刀具間形成一層潤滑油膜，也降低了摩擦系數(shù)，因此銑削力最小。

(2)澆注式、微量潤滑、納米流體微量潤滑銑削相比干式銑削，因為切削液的冷卻作用，得到的溫度都有所降低，其中澆注式因為大量切削液的冷卻得到的溫度最低，納米流體微量潤滑銑削由于固體納米粒子的導熱能力大于液體的導熱能力，所以得到的銑削溫度比微量潤滑得到的銑削溫度要低。

(3)干式銑削獲得的表面粗糙度值最大，澆注式次之，然后是微量潤滑，納米流體微量潤滑銑削獲得的表面粗糙度最小，表面質量最好，與切削力的大小比較完全呼應。納米流體微量潤滑獲得的表面質量之所以優(yōu)于澆注式和微量潤滑，主要是由于納米粒子的抗磨減摩特性和潤滑油膜的潤滑作用，減小了切削力和摩擦，保證了工件的表面質量。因此，納米流體微量潤滑可以為銑削提供更好的潤滑條件，可以替代澆注式成為綠色環(huán)保的銑削加工方式。

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(編輯李秀敏)