低溫微量潤滑刀具耐用度試驗研究

覃孟揚，徐蘭英，潘小莉，梁傳建

（1.玉林師范學(xué)院物理與電信工程學(xué)院，廣西 玉林 537000；2.廣東技術(shù)師范大學(xué)機電學(xué)院，廣東 廣州 510635）

1 引言

微量潤滑（Minimal Quantity Lubrication，簡稱MQL）的潤滑液使用量僅為傳統(tǒng)澆注潤滑的1%，環(huán)保效果等同于（準(zhǔn)）干切削[1]，是極具推廣前途的綠色加工技術(shù)，在學(xué)術(shù)界和工程界都得到了高度重視。在學(xué)術(shù)研究和工程實際應(yīng)用中，發(fā)現(xiàn)常溫MQL在普通金屬切削中有良好的冷卻潤滑效果，和澆注潤滑接近，起到替代作用，但在切削難加工材料時，過高切削溫度使刀具表面的潤滑油膜失去潤滑效果，刀具耐用度明顯小于澆注潤滑。因此學(xué)界提出低溫微量潤滑技術(shù)（Cryogenic Minimal Quantity Lubrication，簡稱CMQL），通過大幅降低壓縮空氣的溫度，增加切削區(qū)的換熱強度，改善換熱效果；同時換熱效果改善又可以提高刀具表面潤滑油膜的形成能力，提高CMQL冷卻潤滑性能。CMQL是一種復(fù)合潤滑技術(shù)，同時具有MQL和低溫冷風(fēng)切削特點，國內(nèi)外學(xué)者對其切削機理進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[1]研究低溫微量潤滑高速銑削刀具磨損，文獻(xiàn)[2]通過毛細(xì)管研究其滲透性，文獻(xiàn)[3]研究CMQL不銹鋼加工的殘余應(yīng)力、粗糙度和加工表面形貌，文獻(xiàn)[4]研究高溫合金CMQL插銑切削力，文獻(xiàn)[5]研究CMQL銑削刀具壽命，文獻(xiàn)[6]對CMQL 切削鎳基高溫合金進(jìn)行仿真研究。文獻(xiàn)[7-8]分別研究了CMQL車削和銑削的切削力和切削溫度。由于受制冷設(shè)備限制，有關(guān)CMQL溫度對刀具耐用度影響研究往往限于單一溫度狀態(tài)，缺乏對不同CMQL溫度的全面研究；也沒有發(fā)現(xiàn)CMQL刀具內(nèi)/外噴射油霧對刀具耐用度影響的研究，所以無法全面認(rèn)識CMQL加工機理，不利于CMQL推廣應(yīng)用，因而需要更全面深入研究相關(guān)問題。本研究利用可調(diào)節(jié)溫度的CMQL裝置，分別設(shè)定不同的切削參數(shù)、潤滑方式（干切削/澆注潤滑/不同溫度CMQL）和油霧噴射方式（刀具內(nèi)/外噴射），對鎳基高溫合金GH4169進(jìn)行車削試驗，測量不同工藝條件的刀具耐用度。通過對比分析，了解不同工藝設(shè)置對刀具耐用度的影響規(guī)律。研究結(jié)果有助于深入了解CMQL 加工機理，同時為優(yōu)化CMQL 工藝設(shè)定，改善難加工材料切削性能提供一定試驗依據(jù)。

2 試驗

2.1 CMQL裝置

為了獲得一個比較低的冷卻溫度，同時實現(xiàn)溫度可調(diào)，本試驗CMQL 制冷采用了雙重制冷壓縮機制冷方案。CMQL 裝置的結(jié)構(gòu)原理，如圖1所示?？諝鈮嚎s后，經(jīng)過壓縮機兩次制冷降溫，可以獲得最低溫度為-60℃的低溫壓縮氣體。通過調(diào)節(jié)制冷壓縮機工作功率，實現(xiàn)調(diào)節(jié)溫度大小。低溫壓縮空氣和脈沖供液器輸送的微量潤滑液在管路中匯合，然后經(jīng)噴嘴噴出，形成低溫油霧。

圖1 CMQL裝置結(jié)構(gòu)原理Fig.1 Structural Schematic of CMQL Device

2.2 試驗設(shè)定

試驗現(xiàn)場，如圖2所示。試驗方案，如表1所示。加工工藝為車削，機床為臥式車床CA6140。試驗材料為鎳基高溫合金GH4169，材料熱力學(xué)性能，如表2所示。所采用刀具為TiAlN涂層硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位車刀，正三角形刀片。刀體有內(nèi)部通路，可以實現(xiàn)刀具內(nèi)或外噴射潤滑油霧。全部加工用這把刀具完成，每改變一次工藝條件，刀片轉(zhuǎn)位換新切削角或換新刀片。CMQL由空氣壓縮機提供壓縮氣體，壓強為0.8MPa；潤滑液采用脈沖微量供液，頻率為10Hz，用量為8mL/h；潤滑液為耐低溫環(huán)保潤滑液，結(jié)冰點為-68℃。澆注潤滑采用和CMQL相同的潤滑液，用量約為2.5L/min。

圖2 試驗現(xiàn)場Fig.2 Experimental Scene

表1 試驗方案Tab.1 Experimental Scheme

表2 GH4169合金熱力學(xué)性能Tab.2 Thermodynamic Properties of GH4169 Alloy

2.3 刀具耐用度測量

用放大率為20倍的工業(yè)顯微鏡觀察和測量刀具后刀面磨損狀況，磨損帶寬度VBmax=0.2mm作為刀具磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，總切削時間為刀具耐用度。

3 結(jié)果和討論

試驗結(jié)果，如圖3所示。圖中可以看出，在25℃（常溫）的情況下，無論粗加工還是精加工，澆注潤滑刀具耐用度最好，干切削最差，CMQL明顯小于澆注潤滑。當(dāng)CMQL溫度為常溫，其實就是普通MQL，這和以往研究發(fā)現(xiàn)切削難加工材料時，MQL刀具耐用度明顯比澆注潤滑差的結(jié)論[5]相符。

圖3 刀具耐用度Fig.3 Tool Durability

這種現(xiàn)象的根本原因是MQL 冷卻能力不足造成。MQL 油霧是由大量氣體和少量顆粒狀液滴組成，氣體比熱容小，能吸收的熱量也少，MQL冷卻主要靠液滴相變吸熱進(jìn)行，而MQL的潤滑液用量很少，相變吸熱也少，所以MQL綜合冷卻能力是有限的，遠(yuǎn)小于澆注潤滑。普通金屬切削產(chǎn)生的切削熱較小，沒有超出MQL冷卻能力范圍，MQL冷卻潤滑效果和澆注潤滑相當(dāng)。切削GH4169合金時，切削熱很大，超出了MQL的最大冷卻能力，切削變形區(qū)有極高溫度，微小潤滑液滴受熱揮發(fā)快，難于形成潤滑油膜，或者形成潤滑油膜也無法長時間存在，導(dǎo)致摩擦惡化，磨損加劇，刀具耐用度較小。澆注潤滑由于潤滑液用量多，比熱容大，能有效降低切削區(qū)溫度，同時大量潤滑液還能及時補充受熱揮發(fā)，所以澆注潤滑在刀面能有效形成潤滑油膜，減輕刀具磨損。

隨著CMQL溫度的下降，刀具耐用度逐漸增加，CMQL溫度在粗加工為0℃和在精加工為-5℃時，刀具耐用度和澆注潤滑相當(dāng)。在CMQL溫度為-60℃和刀具內(nèi)噴射油霧條件下，粗加工有最大刀具耐用度12.4min，精加工有最大刀具耐用度31.2min，兩者都遠(yuǎn)大于相應(yīng)干切削和澆注潤滑。這顯示降低CMQL溫度可以明顯地提升刀具耐用度，溫度越低，刀具耐用度越大。另外，當(dāng)其他工藝條件相同，精加工刀具耐用度大于粗加工。

低溫壓縮空氣不但提高了CMQL的冷卻能力，通過熱傳遞降低切削區(qū)溫度，同時也通過降低微小潤滑液滴的溫度，降低受熱發(fā)揮程度，更容易形成潤滑油膜或者提高潤滑油膜的存在時間，從而減輕刀具-工件-切屑之間的摩擦，提高刀具的耐用度。理論上知道，CMQL溫度越低，冷卻能力就越強，切削區(qū)潤滑油膜越容易生成，刀具耐用度就越高。但無論溫度是多少，CMQL對摩擦僅起到一個改善的作用，刀具磨損依然受到材料、刀具和切削參數(shù)的影響，所以相同切削條件下，精加工刀具耐用度都明顯大于粗加工。

CMQL 溫度對兩組試驗的刀具耐用度影響存在一定差異。粗加工中，CMQL溫度大于-40℃時，刀具耐用度變化率比較大，顯示溫度對刀具耐用度影響較大；CMQL溫度小于-40℃后，刀具耐用度變化比較平緩，此時溫度對刀具耐用度影響變小。精加工刀具耐用度在整個溫度范圍都有著相似的變化率，說明不同溫度對刀具耐用度的影響幾乎一樣。

CMQL冷卻潤滑性能的發(fā)揮，要受實際工藝條件限制。粗加工切削劇烈，發(fā)熱量大，更容易受CMQL的影響，而且粗加工切削速度慢、刀具-工件-切屑接觸面粗糙，也更有利CMQL油霧滲透到切削區(qū)深處形成油膜，所以在-40℃前，CMQL溫度越低，潤滑油膜生成能力越強，刀具耐用度上升速度快。在-40℃左右，切削熱和CMQL 冷卻能力形成平衡，刀具表面生成比較穩(wěn)定潤滑油膜，摩擦也趨于穩(wěn)定。這時候即使再降低CMQL溫度，潤滑油膜變化不大，刀具耐用度提升緩慢。說明CMQL溫度有一個低溫臨界值，當(dāng)溫度低于這個值，CMQL對刀具耐用度影響減小。

GH4169是難加工材料，即使是精加工，切削熱也比較大，而且其加工平穩(wěn)、切削速度高和加工表面比較光滑的特點，都不利于油霧滲透，也就不利于摩擦面穩(wěn)定潤滑油膜的形成。所以整個試驗中，精加工刀具耐用度的提高速度比粗加工-40℃前段要低，受CMQL的影響要小于粗加工；而且一直到-60℃為止，精加工刀具耐用度的變化率幾乎不變，顯示摩擦表面尚無形成比較穩(wěn)定潤滑油膜，CMQL溫度對刀具耐用度影響保持不變。兩種加工差異說明，CMQL對刀具耐用度影響的低溫臨界值和工藝條件有關(guān)，本試驗的精加工低溫臨界值低于-60℃。試驗結(jié)果還顯示，無論粗加工還是精加工，同樣的CMQL溫度，刀具內(nèi)噴射油霧得到的刀具耐用度比外噴射要大；當(dāng)CMQL溫度越低，兩者差距越大。

因為CMQL刀具內(nèi)噴射時，全部低溫油霧都要經(jīng)過刀體，從前刀面小孔噴出，這必然降低整個刀體溫度，導(dǎo)致刀體對切削熱的分流比例要大于外噴射。外噴射時僅有部分油霧參與冷卻，冷能利用率低。就是說當(dāng)其他工藝參數(shù)相同，刀具內(nèi)噴射的冷卻能力強于外噴射，更有利于潤滑油膜的形成，容易獲得較大的刀具耐用度；而且溫度越低，兩者冷卻能力差異就越大，刀具耐用度差異也就越大。另外內(nèi)噴射時，油霧緊貼前刀面對著刀具-切屑摩擦面直接噴射，比外噴射更具滲透性，冷卻潤滑效果更好。所以在提升刀具耐用度方面，刀具內(nèi)噴射要優(yōu)于外噴射。

根據(jù)上述，在摩擦面形成穩(wěn)定潤滑油膜前，降低CMQL溫度對提高刀具耐用度的作用明顯；當(dāng)潤滑油膜穩(wěn)定后，CMQL溫度對刀具耐用度作用不明顯。CMQL對刀具耐用度的影響，除了溫度以外，和其他工藝設(shè)定也有很大關(guān)系。這些工藝設(shè)定直接或間接影響CMQL 滲透性和冷卻性，也就間接影響刀具耐用度。因此，CMQL對切削難加工材料的刀具耐用度的影響，是一個多因素綜合結(jié)果，溫度是其中一個主要因素，下一步還可以對其他工藝因素影響進(jìn)行研究。

4 結(jié)論

本研究在不同的CMQL條件下切削鎳基高溫合金GH4169，分析對比刀具耐用度，得到以下結(jié)論：（1）在常溫，無論粗加工還是精加工，澆注潤滑的刀具耐用度最好，MQL耐用度要小于澆注潤滑；隨著壓縮氣體溫度降低，CMQL刀具耐用度大于澆注潤滑，CMQL可以改善鎳基高溫合金的切削性能。（2）CMQL溫度對鎳基高溫合金切削影響很大，溫度越低，刀具耐用度越大；CMQL影響作用受其他工藝條件限制，相同CMQL溫度對粗精加工的刀具耐用度影響效果存在差異。（3）CMQL對刀具耐用度的影響和摩擦面穩(wěn)定潤滑油膜的形成有關(guān)，穩(wěn)定潤滑油膜形成前，CMQL影響大；穩(wěn)定潤滑油膜形成后，CMQL影響變小。（4）CMQL內(nèi)噴射油霧的刀具耐用度大于外噴射，而且CMQL溫度越低，兩者差距越大。