微量潤滑對切削加工殘余應(yīng)力的影響＊

賀愛東，葉邦彥?，覃孟揚(yáng)，徐蘭英，梁立東

（1．華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510640；2．廣東技術(shù)師范學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，廣東 廣州 510665）

在傳統(tǒng)切削加工中，為了提高加工質(zhì)量、延長刀具使用壽命，往往需要使用大量潤滑液．傳統(tǒng)潤滑液含有許多復(fù)雜化學(xué)成分，排放時對環(huán)境造成很大的負(fù)面影響，被認(rèn)為是環(huán)境污染的重要因素之一，因此世界主要工業(yè)國家對潤滑液的排放制訂了嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，并大力發(fā)展綠色加工技術(shù)以代替?zhèn)鹘y(tǒng)潤滑切削．微量潤滑技術(shù)（minimal quantity lubrication，MQL）指將壓縮氣體與極微量潤滑液混合汽化后，形成微米級的液滴，噴射到切削區(qū)進(jìn)行有效潤滑的一種切削加工方法．它的潤滑液使用量僅為傳統(tǒng)潤滑方式的1%，環(huán)保效果等同于（準(zhǔn)）干切削，但它的加工綜合效果優(yōu)于傳統(tǒng)潤滑方式［1］，因此被認(rèn)為是最具有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．

作為一種全新的切削潤滑技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者從裝備設(shè)計、潤滑冷卻機(jī)理、環(huán)保效果、加工質(zhì)量各方面對MQL進(jìn)行了大量研究［2－4］．在工件加工表面質(zhì)量方面，研究多數(shù)集中在MQL 對加工表面粗糙度的影響效果上，多位學(xué)者［5－9］研究了不同材料在MQL條件下車、銑、鉆和磨的加工表面質(zhì)量，認(rèn)為MQL加工表面粗糙度和傳統(tǒng)潤滑切削幾乎等同，在一些條件惡劣的切削中，甚至要好于傳統(tǒng)切削，這些研究讓人們對MQL的加工表面粗糙度有較全面的認(rèn)識．加工表面質(zhì)量另一個重要指標(biāo)是切削殘余應(yīng)力，它對工件使用性能、疲勞強(qiáng)度和耐腐蝕性有著重要影響［10－13］．文獻(xiàn)［14］研究了在干切削、濕式切削以及MQL 條件下，切削參數(shù)對AISI316Lsteel材料加工表面殘余應(yīng)力的影響；Pusavec等［15］則在鎳基合金的深冷切削工件表面完整性的研究中，發(fā)現(xiàn)MQL易形成拉－壓型殘余應(yīng)力．但有關(guān)系統(tǒng)闡述MQL切削表面殘余應(yīng)力分布及作用機(jī)理的研究文獻(xiàn)很少，無法對MQL 切削殘余應(yīng)力規(guī)律形成全面的認(rèn)識，因此需要對此問題進(jìn)行更深入研究．

本研究針對上述問題進(jìn)行了MQL車削加工殘余應(yīng)力的實驗研究．在干切削、風(fēng)冷切削、濕式切削和MQL條件下對常用金屬材料45鋼、40Cr（淬硬）鋼、40Cr（退火）鋼和304不銹鋼進(jìn)行車削，然后通過試樣的殘余應(yīng)力、切削力和切削溫度的結(jié)果，利用加工殘余應(yīng)力形成的熱力耦合理論，分析不同潤滑方式殘余應(yīng)力差異的原因，最后得出MQL 影響切削殘余應(yīng)力分布的規(guī)律及機(jī)理．研究結(jié)果有助于全面了解MQL 加工機(jī)理，同時為在綠色制造工藝過程中調(diào)整和控制工件切削殘余應(yīng)力、提高工件加工質(zhì)量提供一定的實驗依據(jù)，具有一定的工程意義．

1 實 驗

1．1 實驗設(shè)置

實驗加工工藝為車削，機(jī)床為CA6140（見圖1）．試樣材料為45鋼、40Cr（淬硬）鋼（表面淬硬后進(jìn)行殘余應(yīng)力消除處理）、40Cr（退火）鋼和304 不銹鋼，力學(xué)性能見表1．試樣直徑40 mm，總長300 mm．所有實驗均采用相同的切削參數(shù)和刀具幾何參數(shù)，僅改變潤滑條件．切削參數(shù)為：主切削速度vc＝2m／s，進(jìn)給速度f＝0．1 mm／s，切削深度ap＝0．2mm．刀具為TiAlN 涂層硬質(zhì)合金車刀，幾何參數(shù)見表2．每一種材料分別在干切削、（室溫）風(fēng)冷切削，（傳統(tǒng)）濕式切削和（常溫）MQL 條件下車削，實驗所用潤滑液均為安默琳公司的 MIRCOLUBE1000－20型植物油基環(huán)保潤滑液．

圖1 實驗現(xiàn)場Fig．1 Test site

表1 試樣力學(xué)性能Tab．1 Mechanical properties of sample

表2 刀具幾何參數(shù)Tab．2 Tool geometry

MQL 壓縮氣體壓強(qiáng)為0．6 MPa；潤滑液采用脈沖微量供液，脈沖頻率為20Hz；采用外部噴液方式，噴管處于刀具的前刀面，和機(jī)床主軸方向成45°，噴管口離刀尖距離為20mm．

試樣加工狀態(tài)平穩(wěn)時，通過自然熱電耦測溫系統(tǒng)測量切削溫度T；通過瑞士Kistler公司9263型車削測力系統(tǒng)測量切削力（包括切向切削力Fz，徑向切削力Fy和軸向切削力Fx）．

1．2 殘余應(yīng)力測量

車削實驗完成后，對加工后的試樣采用硝酸導(dǎo)電腐蝕法，將采樣點表層材料逐層剝離后，用PROTO－LXRD 型X 射線衍射儀測量試樣采樣點的軸向殘余應(yīng)力σx和切向殘余應(yīng)力σy．殘余應(yīng)力值以正值代表拉應(yīng)力，以負(fù)值代表壓應(yīng)力．

2 結(jié)果和討論

試樣的切削溫度如圖2所示，干切削的切削溫度從高到低依次是：40Cr（淬硬）鋼、304不銹鋼、45鋼和40Cr（退火）鋼．風(fēng)冷對降低切削溫度有一定的效果，但效果不明顯，僅有幾十度降幅，這是因為風(fēng)（空氣）的比熱容較低，吸收帶走的熱量不多．濕式切削和MQL 的冷卻效果則比風(fēng)冷要顯著，在切削40Cr（淬硬）鋼和304不銹鋼試樣時，切削溫度降低的幅度達(dá)250～310 ℃；在切削45鋼和40Cr（退火）鋼時，溫度降幅也有150～180 ℃．它們的冷卻機(jī)理首先是通過潤滑作用，降低刀具和工件及切屑的摩擦，減少切削熱的產(chǎn)生；另外，濕式切削還通過潤滑液帶走了大量熱量，MQL 則通過微液滴的大面積揮發(fā)來吸收熱量．濕式切削冷卻效果是最強(qiáng)的；但在同切削參數(shù)條件下，濕式切削的切削溫度和MQL接近，說明兩者冷卻能力相差不大．

試樣3個方向的切削力如圖3所示．風(fēng)冷切削和干切削的切削力差別很小，如果考慮測量誤差，可以認(rèn)為風(fēng)冷對切削力幾乎沒有影響．濕式切削和MQL在各個方向都降低了切削力大小，但所有切削力降幅都不是很大．濕式切削和MQL 對切削力的影響因材料和方向不同而不一樣，但在相同條件下，二者差別并不顯著．影響切削力大小因素是多方面的，如刀具和試樣及切屑的擠壓、破裂、沖擊和摩擦，還有材料性能、刀具幾何角度、切削參數(shù)、切削溫度及積屑瘤等因素．由于濕式切削和MQL 相對干切削來說，只是改變了其中少數(shù)幾個因素（如摩擦、切削溫度），因此無法對切削力產(chǎn)生大的影響，切削力變化有限．風(fēng)冷切削中，除了對切削溫度有較小的影響外，對其他因素也幾乎沒有作用，所以對切削力的影響也就可以忽略不計．

圖2 切削溫度Fig．2 Cutting temperature

試樣切削殘余應(yīng)力如圖4－圖7 所示．不同材料干切削的殘余應(yīng)力性質(zhì)并不一樣，45鋼和40Cr（退火）鋼獲得了拉－壓混合的切削殘余應(yīng)力，而40Cr（淬硬）鋼和304不銹鋼則獲得殘余拉應(yīng)力．最大殘余拉應(yīng)力從大到小的試樣順序是：304不銹鋼、40Cr（淬硬）鋼、45鋼和40Cr（退火）鋼．切削殘余應(yīng)力是工件加工表面的機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)的耦合結(jié)果，40Cr（淬硬）鋼和304不銹鋼屬于難加工材料，切削溫度高，不但容易獲得殘余拉應(yīng)力，而且其最大的殘余拉應(yīng)力值也比45 鋼和40Cr（退火）鋼明顯要大．40Cr（淬硬）鋼的殘余應(yīng)力層厚度是所有試樣中最小的，這和40Cr（淬硬）鋼的硬度高導(dǎo)致加工硬化層較薄有關(guān)．

相同切削條件下，各種潤滑方式的切削殘余應(yīng)力和干切削對比，其差異可以認(rèn)為是由于潤滑方式影響殘余應(yīng)力所致．風(fēng)冷切削在各個試樣軸向和切向的殘余應(yīng)力和干切削都很接近，說明其對殘余應(yīng)力產(chǎn)生的影響很?。甅QL 和濕式切削的殘余應(yīng)力和干切削差別就非常明顯，而且二者的殘余應(yīng)力曲線非常接近，說明MQL 對殘余應(yīng)力的影響和濕式切削類似．總體來看，MQL 對殘余應(yīng)力的影響趨勢是降低拉應(yīng)力、增大壓應(yīng)力；其中在40Cr（淬硬）鋼軸向和304不銹鋼軸向及徑向上，MQL 和濕式切削甚至還導(dǎo)致了加工表面下方產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力．

圖3 切削力Fig．3 Cutting force

試樣軸向殘余應(yīng)力σx和切向殘余應(yīng)力σy大小并不相同，40Cr（淬硬）還出現(xiàn)了軸向為拉－壓混合應(yīng)力，切向為拉應(yīng)力的試樣．原因在于殘余應(yīng)力是熱力耦合而成，當(dāng)熱效應(yīng)大于機(jī)械效應(yīng)時，形成拉應(yīng)力；當(dāng)機(jī)械效應(yīng)大于熱效應(yīng)時，形成壓應(yīng)力．在試樣同一采樣點上，熱效應(yīng)是各向同性的，但機(jī)械效應(yīng)由于受刀具運(yùn)動方向的影響，為各向異性，這導(dǎo)致了最終形成的殘余應(yīng)力也是各向異性，即不同方向有不同的大小或不同性質(zhì)的殘余應(yīng)力；同時，這也可能使?jié)櫥绞綄ν稽c殘余應(yīng)力的影響因方向不同而存在差異．殘余應(yīng)力實驗結(jié)果也顯示，對于所有試樣，MQL對軸向和切向的殘余應(yīng)力雖然影響趨勢相同，但影響的幅度不一樣．

切削力和切削溫度是試樣加工表面機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)的間接表現(xiàn)，實驗結(jié)果顯示，風(fēng)冷對于機(jī)械效應(yīng)和熱效應(yīng)的影響都很小，它對切削殘余應(yīng)力的影響也就很?。鳰QL 和濕式切削對切削力和切削溫度都有較大的作用效果，使它們的切削殘余應(yīng)力和干切削明顯不一樣．殘余應(yīng)力形成的熱力耦合理論及實驗切削溫度和切削力的結(jié)果顯示，由于MQL和濕式切削的切削溫度的減少幅度要大于切削力，試樣表面受拉趨勢的減少要大于受壓趨勢的減少，所以殘余應(yīng)力狀態(tài)為降低拉應(yīng)力和增大壓應(yīng)力，甚至出現(xiàn)了拉應(yīng)力向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變的試樣．

實驗結(jié)果也驗證了切削殘余應(yīng)力和工件材料物理性能有很大關(guān)系，MQL 對殘余應(yīng)力影響也因工件材料及熱處理狀態(tài)不同而不同．實驗中，MQL 對殘余應(yīng)力影響大小順序是：304不銹鋼、40Cr（淬硬）鋼、40Cr（退火）鋼和45鋼．40Cr（淬硬）鋼由于材料硬度（強(qiáng)度）最高，切削耗能大，切削熱最多，工件表面熱效應(yīng)明顯，容易產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力．不銹鋼的硬度（強(qiáng)度）雖然不高，但材料韌性最大，同時材料熱傳導(dǎo)性最差，切削摩擦發(fā)熱明顯，而且切削熱集中在工件表面，容易形成較大的熱效應(yīng)，也產(chǎn)生了殘余拉應(yīng)力．在MQL的冷卻作用下，這兩種材料切削溫度降低明顯，導(dǎo)致了拉應(yīng)力大幅度減小和壓應(yīng)力的出現(xiàn)．40Cr（退火）鋼和45鋼則屬于易切削金屬，強(qiáng)度低、傳熱快，工件表面熱效應(yīng)不突出，因此干切削的殘余應(yīng)力狀態(tài)是拉－壓混合分布，而且在同樣的MQL 作用下，最大殘余拉應(yīng)力減小幅度低于前兩種材料，最大殘余壓應(yīng)力增加幅度也較小．所以MQL 對韌性和強(qiáng)度大的材料的切削殘余應(yīng)力影響較大，即對難加工材料殘余應(yīng)力的影響要大于普通碳鋼．

殘余應(yīng)力分布狀態(tài)除了應(yīng)力性質(zhì)和大小外，還包括一些位置特征值，如最大拉應(yīng)力位置、最大壓應(yīng)力位置和應(yīng)力層厚度．實驗發(fā)現(xiàn)，潤滑方式改變了殘余應(yīng)力大小或性質(zhì)的同時，對上述位置特征值的影響卻很?。唧w體現(xiàn)為所有最大殘余拉應(yīng)力不受潤滑方式影響，都處于試樣最外表面；最大壓應(yīng)力位置和應(yīng)力層厚度也沒有因潤滑方式不同而發(fā)生變化；或者只發(fā)生很小的變化，沒有使殘余應(yīng)力分布狀態(tài)發(fā)生明顯改變．其中冷風(fēng)切削的殘余應(yīng)力特征值和干切削的接近，濕式切削的殘余應(yīng)力則和MQL 的接近．整體而言，即使考慮了測試儀器以及材料逐層剝離的誤差，也可以認(rèn)為潤滑方式對特征位置幾乎沒有影響．

圖4 45鋼切削殘余應(yīng)力Fig．4 Machined residual stress of 45steel

MQL 對切削溫度影響大、對切削力影響小的實驗結(jié)果，以及MQL 對殘余應(yīng)力大小影響大、對特征位置影響很小的特性都表明：MQL 對切削熱效應(yīng)的影響要明顯大于對機(jī)械效應(yīng)的影響，MQL 影響切削殘余應(yīng)力主要是通過抑制熱效應(yīng)來形成的．

圖5 40Cr（淬硬）鋼切削殘余應(yīng)力Fig．5 Machined residual stress of 40Cr（harden）steel

圖6 40Cr（退火）鋼切削殘余應(yīng)力Fig．6 Machined residual stress of 40Cr（annealed）steel

圖7 304不銹鋼切削殘余應(yīng)力Fig．7 Machined residual stress of 304stainless steel

MQL在切削中的主要作用是冷卻和潤滑．根據(jù)上述分析，冷卻在殘余應(yīng)力變化中起了主導(dǎo)作用，如果能進(jìn)一步提高M(jìn)QL 冷卻性能，就可以在更大程度上降低工件殘余拉應(yīng)力，或者形成更大的殘余壓應(yīng)力，從而獲得較好的殘余應(yīng)力分布．如果MQL冷卻性能足夠好，理論上可以形成純壓應(yīng)力類型的殘余應(yīng)力，這對提高工件疲勞強(qiáng)度是非常有利的．MQL潤滑性能對切削殘余應(yīng)力的影響是雙向的，一方面潤滑可以降低摩擦，減小機(jī)械效應(yīng)，減小加工表面受壓趨勢；但另一方面摩擦的降低又減少切削熱的產(chǎn)生，抑制熱效應(yīng)，降低了加工表面受拉的趨勢．由于最終殘余應(yīng)力的大小及性質(zhì)都是這兩方面共同作用的結(jié)果，所以MQL 潤滑性能對殘余應(yīng)力分布的影響比較復(fù)雜，需要作進(jìn)一步的研究．

3 結(jié) 論

1）MQL對切削殘余應(yīng)力的影響和濕式切削接近，影響程度要大于風(fēng)冷切削．MQL 有降低切削殘余拉應(yīng)力的作用，某些情況下還會導(dǎo)致產(chǎn)生壓應(yīng)力，但對殘余應(yīng)力分布的位置特征值影響很?。甅QL對軸向和切向殘余應(yīng)力的影響趨勢相同．

2）MQL對切削殘余應(yīng)力的影響因工件材料和熱處理狀態(tài)而不同，對韌性和強(qiáng)度大的材料影響較為明顯，對難切削材料的影響要大于普通碳鋼．

3）MQL對熱效應(yīng)的抑制是影響切削殘余應(yīng)力的主要機(jī)理；MQL 通過機(jī)械效應(yīng)對切削殘余應(yīng)力產(chǎn)生的影響較小．

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