納米流體微量潤滑在高效銑削加工中的應(yīng)用前景分析*

董 蘭 李長河 殷慶安 柏秀芳 李莉芳

(①青島濱海學(xué)院山東省高等學(xué)校機(jī)電工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266555；②青島濱海學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，山東 青島 266555；③青島理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 青島 266033 )

1 高效銑削加工的應(yīng)用

高效銑削加工具有生產(chǎn)效率高、加工范圍廣、加工精度高的特點(diǎn)。高效銑削時(shí)，刀具與工件的接觸時(shí)間極短，但刀具與切屑、工件之間發(fā)生劇烈的摩擦，產(chǎn)生大量切削熱，銑削區(qū)的潤滑冷卻不足，導(dǎo)致刀具急劇磨損，嚴(yán)重制約了加工效率的提高[1]。特別是當(dāng)銑削區(qū)溫度超過臨界值時(shí)，引起工件表面的熱損傷(表面的氧化、燒傷、殘余拉應(yīng)力和裂紋)，導(dǎo)致零件的抗疲勞性能和抗磨損性能降低，零件的使用壽命和可靠性也降低，同時(shí)也降低了刀具的切削性能和加工精度[2-3]，這些因素制約了高效銑削加工的廣泛應(yīng)用。因此，在銑削區(qū)的冷卻潤滑起到至關(guān)重要的作用，必須采取有效的措施降低銑削區(qū)的溫度及刀具的摩擦磨損。

2 銑削加工方式的發(fā)展[5-6]

如何對銑削區(qū)實(shí)施有效的冷卻潤滑，提高加工性能，根據(jù)冷卻潤滑方式的不同，銑削加工方式如圖1所示。

2.1 傳統(tǒng)澆注式銑削加工

傳統(tǒng)的銑削加工通過澆注大量切削液來降低切削溫度、延長刀具壽命，這種方法存在較大缺陷。首先，在高速銑削時(shí)，刀具高速旋轉(zhuǎn)在刀具周邊產(chǎn)生“氣障”現(xiàn)象，阻礙切削液有效進(jìn)入刀具與工件的加工區(qū)，能夠進(jìn)入切削區(qū)并真正起到冷卻潤滑作用的切削液僅占極小的比例，無法對切削區(qū)實(shí)施有效的冷卻潤滑[4]?！皻庹稀爆F(xiàn)象降低了切削液的利用率，銑削界面嚴(yán)重缺乏潤滑與冷卻，降低刀具使用壽命，破壞工件表面質(zhì)量[5-6]。外加大量的切削液在流體動(dòng)壓力的作用下，會(huì)對刀具產(chǎn)生沖擊形成撓曲變形[7]，降低刀具的銑削精度。大量使用切削液增加加工和處理成本，傷害工人和污染環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計(jì)目前我國金屬切削液的年用量約為6萬噸，切削液的廢液必須經(jīng)過處理、達(dá)標(biāo)后才能排放，廢液處理耗資巨大，高達(dá)切削液成本的54%[8]。

2.2 干式銑削加工

干式加工是在確保工件加工精度和刀具使用壽命的前提下，放棄切削液的使用[9]，是一種清潔、綠色環(huán)保的加工技術(shù)，已成功應(yīng)用于車、銑和鉆削等機(jī)械加工中。在缺少潤滑的條件下，干式加工對刀具和機(jī)床都要具有較高的要求，刀具應(yīng)有高的硬度、韌性和耐磨性，同時(shí)刀具表面要具有低的摩擦系數(shù)。

研究表明[10]：采用干銑削加工，聚集在工件表面的熱量將會(huì)導(dǎo)致工件表面發(fā)生嚴(yán)重?zé)齻?，表面質(zhì)量嚴(yán)重下降，工件的加工精度和表面質(zhì)量明顯惡化；刀具的切削性能以及使用壽命都明顯降低。

雖然干銑削是比較清潔的加工方式，但由于缺少潤滑冷卻液，不僅會(huì)導(dǎo)致工件表面質(zhì)量差、工件燒傷等問題，而且切屑也無法及時(shí)清除，易在高溫高壓下被二次硬化，致使刀具快速磨損。因此，干銑削這些特點(diǎn)，限制了其在銑削加工中的應(yīng)用。

2.3 低溫冷卻銑削加工

低溫冷卻潤滑用低溫冷卻介質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的潤滑液來實(shí)現(xiàn)冷卻潤滑銑削區(qū)、沖走切屑等作用。冷卻介質(zhì)主要有：冷空氣、二氧化碳、液態(tài)氮?dú)夂蜌鍤獾?。低溫冷卻介質(zhì)(-20 ℃以下)經(jīng)冷風(fēng)發(fā)生裝置由噴嘴噴射至銑削區(qū)，與干銑削相比，低溫冷卻潤滑下得到的銑削力、銑削溫度等明顯減小，工件表面質(zhì)量得到提高。同時(shí)，延緩了刀具的磨損，提高了機(jī)加工效率[11]。

但這種冷卻潤滑方式在加工過程中需要大量的低溫冷卻介質(zhì)來完成，冷卻介質(zhì)的制備、儲(chǔ)存和運(yùn)輸耗費(fèi)較大，供液成本較高，只適用于銑削力較小的加工中，因此工業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中受到一定的限制。

2.4 微量潤滑銑削加工

微量潤滑是使用噴嘴將極少量的潤滑液和壓縮氣體混合霧化后噴射到切削區(qū)，起冷卻潤滑作用的一種環(huán)保切削加工技術(shù)[11]。當(dāng)微量潤滑液被噴射進(jìn)入切削區(qū)時(shí)，高壓氣體可以實(shí)現(xiàn)冷卻和排屑作用，潤滑液帶走切削加工產(chǎn)生的熱量，降低切削區(qū)的溫度。通過高壓氣體運(yùn)輸?shù)降毒吖ぜ缑娴臐櫥簳?huì)黏附到工件和刀具的表面，形成具有一定減摩抗磨效果的潤滑油膜，起到良好的潤滑效果，從而降低切削力[5-6]。微量潤滑切削液的用量只有傳統(tǒng)加工方法的千分之幾甚至萬分之幾[12]。并用以植物油來替代傳統(tǒng)礦物油作為潤滑液基礎(chǔ)油，不僅因?yàn)樗强稍偕Y源，更是因?yàn)樗沫h(huán)境友好性、無毒性和生物可降解性，以及對環(huán)境的污染和人體的傷害幾乎為零[13]。

但是微量潤滑的冷卻、潤滑效果尚需提升，這也出現(xiàn)了由兩相的油-汽微量潤滑系統(tǒng)向油-氣-水三相微量潤滑系統(tǒng)發(fā)展及加入有強(qiáng)化換熱能力和具有優(yōu)異摩擦學(xué)特性的納米粒子來提高微量潤滑的冷卻潤滑效果。

2.5 納米流體微量潤滑銑削加工

納米流體微量潤滑是對微量潤滑的一個(gè)升級(jí)與強(qiáng)化，其主要突出點(diǎn)為：在微量潤滑的基礎(chǔ)上，在可降解的基礎(chǔ)油中添加適量的納米粒子，配制成納米流體，與高壓氣體混合霧化后經(jīng)噴嘴以微液滴的形式噴射到切削區(qū)[14]。噴射到切削區(qū)的納米流體和壓縮氣體的混合物起潤滑和減摩抗磨的作用。與基礎(chǔ)液相比納米流體具有許多優(yōu)點(diǎn)，如較好的穩(wěn)定性、較高的熱導(dǎo)率和優(yōu)異的潤滑性能、納米流體潤滑顯著地提高了機(jī)械加工(如鉆銷，銑削，磨削和車削)的性能參數(shù)[5-6]。很容易帶走銑削型腔時(shí)的切屑，不存在切屑對刀具和工件的二次傷害，工件的加工精度、表面質(zhì)量及完整性得到顯著的改善；同時(shí)也提高了刀具的使用壽命，改善了工作環(huán)境，降低了生產(chǎn)成本。

鑒于納米流體良好的潤滑、冷卻性能，能較好地解決高效銑削加工的關(guān)鍵問題，國內(nèi)外不少專家已在研究納米流體微量潤滑銑削工藝。

3 納米流體微量潤滑銑削的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對微量潤滑冷卻方式在車、銑、鉆和磨等機(jī)加工中的應(yīng)用，以及相關(guān)的切削加工機(jī)理進(jìn)行了探索性的研究，如圖2所示；國外對微量潤滑銑削以及納米流體微量潤滑銑削進(jìn)行了初步的理論分析與實(shí)驗(yàn)研究工作(如圖3所示)。

歸納起來，大都用了大豆油、花生油、玉米油、菜籽油、棕櫚油、蓖麻油、葵花油等作為微量潤滑基礎(chǔ)油，用金剛石、MoS2、CNTs、ZrO2、SiO2和Al2O3等納米粒子作為流體的添加劑，以航空鋁合金7050-T7451、高強(qiáng)度鋼 PCrNi2MoVa等作為加工對象，其優(yōu)勢在于：可以有效地降低銑削力、節(jié)省潤滑油用量，提高表面質(zhì)量，從而提高了加工性能，解決切削溫度高、刀具磨損快的問題，同時(shí)無害無污染。

根據(jù)國內(nèi)外文獻(xiàn)綜述[15-32]，現(xiàn)在的納米粒子射流微量潤滑是現(xiàn)在切削加工中綠色、環(huán)保還能實(shí)現(xiàn)加工工件表面完整性比較理想的加工方式。雖然學(xué)者們在納米流體微量潤滑方面的研究取得了很大的成果，但納米流體微量潤滑銑削方面局限在使用單一變量(單種納米粒子、單種工件、單種刀具)上來進(jìn)行研究。從宏觀角度研究了納米流體微量潤滑銑削的潤滑冷卻機(jī)制，并沒有從霧滴沖擊動(dòng)力學(xué)特性、霧滴與工件界面接觸形態(tài)、納米粒子在刀具/工件界面、刀具/切屑界面熱力學(xué)作用規(guī)律的微觀角度揭示納米流體在切削區(qū)的冷卻和潤滑機(jī)理，沒有從科學(xué)本質(zhì)上揭示影響切削性能的關(guān)鍵技術(shù)。

4 需要解決的關(guān)鍵科學(xué)問題與技術(shù)

在納米流體微量潤滑高效銑削時(shí)，高速旋轉(zhuǎn)條件下氣流場的變化分布規(guī)律如何？高效銑削刀具加工時(shí)的邊界條件如何？射流參數(shù)在氣流場和加工盲腔的影響下速度和壓力是怎么變化？油氣水三相介質(zhì)是以什么狀態(tài)噴射到銑削區(qū)的？另外納米粒子射流微量潤滑在銑削區(qū)是如何形成剪切油膜的？從而揭示混合納米流體微量潤滑高效銑削腔體的潤滑冷卻機(jī)理，為其實(shí)際應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的工藝?yán)碚摶A(chǔ)，有必要對其科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行深入的研究，實(shí)現(xiàn)冷卻、潤滑、排屑三位一體的高效銑削工藝。需要解決納米流體如何有效進(jìn)入高速銑削區(qū)域；納米流體的物理特性及射流參數(shù)對銑削的潤滑冷卻效果控制；納米粒子在基礎(chǔ)油、混合基礎(chǔ)油中的均勻化處理與測定等技術(shù)。建立納米流體微量潤滑高效銑削模具型腔過程中，銑刀與模具型腔的作用空間內(nèi)的速度場、壓力場的變化及高速射流有效注入銑削區(qū)域的理論模型；探尋多相流體動(dòng)力學(xué)下，納米流體微量潤滑高效銑削時(shí)的射流參數(shù)及工藝流場的工藝方案；尋找納米流體微量潤滑高效銑削腔體的工況下，在有限空間約束下，基礎(chǔ)油的物理特性(分子結(jié)構(gòu)、碳鏈長度、飽和脂肪酸含量等)、納米粒子(形狀、大小、性質(zhì)等)與銑刀、腔體及基礎(chǔ)油的匹配關(guān)系等對潤滑減磨冷卻機(jī)制，探索基礎(chǔ)油、納米粒子在多因素耦合作用下，在銑刀與加工表面形成潤滑油膜的機(jī)理；研究納米流體形成的微液滴形狀、納米流體的物理特性(粘度、表面張力、接觸角等)對潤滑油膜的形成機(jī)理及對潤滑冷卻性能影響規(guī)律。

5 納米流體微量高效銑削發(fā)展趨勢

綜上所述，學(xué)者們在以往的研究工作中通過實(shí)驗(yàn)研究證明了納米流體微量潤滑在車削、銑削、鉆削、磨削等金屬切削加工中取得了很好的潤滑效果。將納米粒子、潤滑基礎(chǔ)油、壓縮空氣甚至水混合霧化后以射流的形式噴入銑削區(qū)，不僅可以解決微量潤滑冷卻效果的不足，還極大地改善了工作環(huán)境、節(jié)約能源和降低成本實(shí)現(xiàn)綠色低碳制造。利用噴射的納米粒子特殊的潤滑性能與摩擦學(xué)特性，在刀具/工件界面形成納米級(jí)剪切油膜，進(jìn)而提高微量潤滑銑削的潤滑性能，尚需要解決納米流體微量潤滑在高效銑削加工中的關(guān)鍵科學(xué)問題與技術(shù)。

納米流體潤滑顯著地提高了機(jī)械加工(鉆銷、銑削、磨削和車削)的性能參數(shù)，無法適用于高壓、高速納米粒子射流微量潤滑冷卻系統(tǒng)中，納米流體微量潤滑高效銑削機(jī)理及工藝將會(huì)得到系統(tǒng)的研究，以期實(shí)現(xiàn)清潔、低耗、高效和可持續(xù)的綠色銑削制造新技術(shù)，并對工業(yè)生產(chǎn)有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。