顆粒流滴注潤(rùn)滑車(chē)削實(shí)驗(yàn)研究

李玉霞，覃孟揚(yáng)，徐蘭英，李佑長(zhǎng)

(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(jī)電學(xué)院，廣東廣州 510635)

0 前言

澆注潤(rùn)滑是機(jī)加工最常用的切削減摩技術(shù)，基本作用是冷卻和潤(rùn)滑，然而存在諸多問(wèn)題，如用量大、成本高、對(duì)環(huán)境破壞大和冷卻能力有限等。工程界和學(xué)術(shù)界陸續(xù)提出了低溫冷風(fēng)切削、液氮切削、微量潤(rùn)滑切削和微織構(gòu)刀具切削等環(huán)保、高效(冷卻)的改進(jìn)潤(rùn)滑技術(shù)。

顆粒流潤(rùn)滑是二十一世紀(jì)初出現(xiàn)的一種潤(rùn)滑新技術(shù)。在切削中，將固體潤(rùn)滑介質(zhì)以顆粒(粉末)狀態(tài)直接導(dǎo)入工-刀-屑之間的接觸面，利用微小顆粒的粘附、變形、滑滾、分層開(kāi)裂等特性，減少做相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩表面間的接觸，從而減少摩擦、降低磨損，達(dá)到降低切削力和切削溫度、改善刀具磨損、提高加工質(zhì)量的目的。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)顆粒潤(rùn)滑介質(zhì)的輸送及導(dǎo)入、切削潤(rùn)滑效果與工藝參數(shù)優(yōu)化、顆粒流潤(rùn)滑機(jī)制等進(jìn)行了深入研究，并取得了較大進(jìn)展。其中當(dāng)前用于切削加工的顆粒介質(zhì)輸送及導(dǎo)入方式主要有：填涂式、鋪粉式、送粉式、流化式、霧化式等。這些方式有不同的改善切削的效果，但也產(chǎn)生了新的問(wèn)題，比如顆粒介質(zhì)消耗量大、成本高、需要專(zhuān)用刀具或復(fù)雜的輸送裝置，限制了推廣應(yīng)用。目前最流行的研究方向是把顆粒流潤(rùn)滑和微量潤(rùn)滑結(jié)合，用壓縮氣體把顆粒介質(zhì)和潤(rùn)滑液形成霧狀混合物，噴到切削區(qū)，改善冷卻和潤(rùn)滑；顆粒介質(zhì)和潤(rùn)滑液的用量雖然非常少，但霧狀混合物分布在空中，金屬顆粒介質(zhì)容易被吸入人體，對(duì)健康產(chǎn)生不利影響。所以目前還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)顆粒流潤(rùn)滑在切削加工中簡(jiǎn)便、高效、安全和低成本的使用方法，限制了它的推廣應(yīng)用，需要進(jìn)一步探索顆粒流潤(rùn)滑的使用方法。

基于上述，本文作者結(jié)合澆注潤(rùn)滑和顆粒流潤(rùn)滑的特點(diǎn)，提出了顆粒流滴注潤(rùn)滑方法，達(dá)到簡(jiǎn)便、高效、安全和低成本地使用顆粒流潤(rùn)滑。在干切削、澆注潤(rùn)滑、顆粒流滴注潤(rùn)滑條件下，對(duì)45鋼進(jìn)行精、粗車(chē)削實(shí)驗(yàn)，比較切削力、切削溫度和粗糙度的差異，研究顆粒流滴注潤(rùn)滑對(duì)切削過(guò)程及加工質(zhì)量的影響。研究結(jié)果有助于深入了解顆粒流滴注潤(rùn)滑的特點(diǎn)，同時(shí)為顆粒流潤(rùn)滑的應(yīng)用提供一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 顆粒流滴注潤(rùn)滑方法

傳統(tǒng)澆注潤(rùn)滑是通過(guò)潤(rùn)滑液滲透進(jìn)工-刀-屑之間的接觸面，形成潤(rùn)滑油膜，降低摩擦因數(shù)，減少切削力和切削熱；同時(shí)還通過(guò)潤(rùn)滑液的熱傳導(dǎo)帶走熱量，降低切削溫度。澆注潤(rùn)滑的效果與潤(rùn)滑液的潤(rùn)滑性、滲透性和熱容量有很大關(guān)系，為了保證(冷卻)潤(rùn)滑效果，還往往采用大流量的潤(rùn)滑液。它的優(yōu)點(diǎn)是潤(rùn)滑液用量多，適應(yīng)大部分復(fù)雜的切削環(huán)境，兼顧了冷卻和潤(rùn)滑的效果。缺點(diǎn)是實(shí)際參與到形成潤(rùn)滑油膜和帶走熱量的潤(rùn)滑液只是其中很少的一部分，大部分潤(rùn)滑液被浪費(fèi)；而且潤(rùn)滑液自上而下地流動(dòng)，由于流速和方向的影響，不利于在前、后刀面滲透形成油膜。這些缺點(diǎn)導(dǎo)致潤(rùn)滑液消耗多、成本高、對(duì)環(huán)境影響大等問(wèn)題。如果在潤(rùn)滑液中混進(jìn)微顆粒，形成顆粒流澆注潤(rùn)滑，更是成本高昂得不可承受，所以顆粒流很少采用澆注潤(rùn)滑方式。

針對(duì)澆注潤(rùn)滑的優(yōu)缺點(diǎn)，通過(guò)制作裝置讓顆粒流潤(rùn)滑液以滴注的方式，小量、連續(xù)、低速和精準(zhǔn)地對(duì)切削區(qū)進(jìn)行潤(rùn)滑(圖1)。采用這種方式，潤(rùn)滑液利用自身重力形成點(diǎn)滴下垂到切削區(qū)，然后利用自身吸附力對(duì)切削區(qū)形成近似于靜態(tài)的包裹狀態(tài)。這種狀態(tài)有利于發(fā)揮毛細(xì)管吸附作用，改善工-刀-屑接觸面的滲透效果，更有利于形成顆粒流潤(rùn)滑油膜，同時(shí)還保留了一定的潤(rùn)滑液熱交換降溫的作用。這種方式可以大幅度減少潤(rùn)滑液用量，提高潤(rùn)滑液利用率，更好地發(fā)揮顆粒介質(zhì)的作用，還可以避免顆粒流微量潤(rùn)滑在高溫高速加工時(shí)，由于熱容量低而導(dǎo)致潤(rùn)滑油膜失效的問(wèn)題，是顆粒潤(rùn)滑介質(zhì)有效輸送及導(dǎo)入的新方式。

圖1 滴注潤(rùn)滑

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)布置如圖2所示。實(shí)驗(yàn)加工工藝為車(chē)削，車(chē)床型號(hào)為CA6140，加工刀具為硬質(zhì)合金涂層車(chē)刀；試樣材料為45鋼，形狀為直徑30 mm、長(zhǎng)度200 mm的棒料。工藝參數(shù)如表1所示，在潤(rùn)滑狀態(tài)分別為干切削、澆注潤(rùn)滑和顆粒流滴注潤(rùn)滑的條件下，用同一把車(chē)刀對(duì)不同試樣分別進(jìn)行精、粗車(chē)削加工。加工過(guò)程中，測(cè)量切削力和切削溫度；加工完成后，測(cè)量試樣加工的表面粗糙度。

圖2 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

表1 工藝參數(shù)

2.2 納米顆粒混合液制備

顆粒介質(zhì)為AlO納米顆粒，制作顆粒流時(shí)，把潤(rùn)滑液和AlO納米顆粒按99∶1的比例混合，機(jī)械式攪拌3 min，再用超聲波清洗儀震動(dòng)5 min，確保混合均勻，0.5 h內(nèi)使用。每次加工新試樣，流體須重新攪拌、震動(dòng)，確保流體混合狀態(tài)一致。

2.3 滴注系統(tǒng)

將常規(guī)醫(yī)學(xué)輸液點(diǎn)滴系統(tǒng)改造成潤(rùn)滑液滴注系統(tǒng)，滴管附在車(chē)床潤(rùn)滑液噴管上，可以跟隨刀具移動(dòng)，保證顆粒流潤(rùn)滑液油滴位置相對(duì)刀具不變，顆粒流潤(rùn)滑液精確滴注在切削變形區(qū)。滴注的點(diǎn)滴頻率為2 Hz，每20滴體積約為1 mL，折算顆粒流潤(rùn)滑液用量為360 mL/h，遠(yuǎn)小于澆注潤(rùn)滑方式的潤(rùn)滑液用量(約7 000～8 000 mL/h)。

2.4 試樣測(cè)量

切削加工開(kāi)始10 s后，用Kistler公司生產(chǎn)的9257A型壓電晶體式三向車(chē)削測(cè)力系統(tǒng)測(cè)量切削力，用自制的自然熱電偶車(chē)削測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量切削溫度(切削溫度為切削區(qū)平均溫度)。車(chē)削完成后，用時(shí)代公司生產(chǎn)的TR3200型表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量試樣加工表面粗糙度值。

3 結(jié)果與討論

3.1 切削力

試樣切削力如圖3所示。對(duì)比徑向、切向、軸向切削力，精加工時(shí)，顆粒流滴注潤(rùn)滑比干切削降低23.7%、8.9%、14.8%；澆注潤(rùn)滑比干切削降低15.9%、10.8%、13.5%。粗加工時(shí)，顆粒流滴注潤(rùn)滑比干切削降低24.8%、11.7%、19.3%；澆注潤(rùn)滑比干切削降低14.7%、14.5%、17.4%。

圖3 切削力

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示顆粒流滴注潤(rùn)滑切削的試樣在3個(gè)方向(徑向、切向、軸向)都有降低切削力的效果，但不同方向效果不一樣，在徑向方向的降低效果最好，其次是軸向，切向最差。無(wú)論精、粗加工，顆粒流滴注潤(rùn)滑對(duì)降低徑向切削力的效果都要優(yōu)于澆注潤(rùn)滑；在切向和軸向，兩者相差不大。

效果差異是因?yàn)轭w粒流滴注潤(rùn)滑主要對(duì)前刀面-切屑的摩擦副起到作用，部分區(qū)域通過(guò)AlO納米顆粒把滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，大幅降低摩擦因數(shù)，降低摩擦力；同時(shí)，由于AlO納米顆粒的作用，刀-屑之間間隙增大，促進(jìn)潤(rùn)滑液滲透，更有利于形成潤(rùn)滑油膜，也進(jìn)一步降低了前刀面摩擦力。刀-屑摩擦力是徑向切削力的主要組成之一，所以顆粒流滴注潤(rùn)滑對(duì)這個(gè)方向切削力影響最大，而且由于澆注潤(rùn)滑中，潤(rùn)滑液流速和流向影響前刀面油膜的形成，前刀面-切屑的摩擦副依然是滑動(dòng)摩擦，AlO納米顆粒的特殊作用，導(dǎo)致比傳統(tǒng)澆注潤(rùn)滑的效果更好。在切向和軸向，切削力受刀-屑摩擦力影響很小，受刀-工摩擦力影響大，刀-工接觸面在切削時(shí)始終保持緊密接觸，AlO納米顆粒很難滲透進(jìn)去發(fā)揮作用；或者即使?jié)B透進(jìn)去在強(qiáng)力作用下容易變形，無(wú)法發(fā)揮作用。所以顆粒流滴注潤(rùn)滑降低切向和軸向切削力的效果和澆注潤(rùn)滑差不多。

3.2 切削溫度

試樣切削溫度如圖4所示：精加工時(shí)，顆粒流滴注潤(rùn)滑切削溫度比干切削降低51.1%，澆注潤(rùn)滑比干切削降低42.4%；粗加工時(shí)，顆粒流滴注潤(rùn)滑切削溫度比干切削降低61.3%，澆注潤(rùn)滑比干切削降低56.8%。

圖4 切削溫度

無(wú)論精、粗加工，顆粒流滴注潤(rùn)滑降低切削溫度都有顯著效果，甚至要優(yōu)于澆注潤(rùn)滑，而且粗加工時(shí)作用效果要略好于精加工。總的來(lái)說(shuō)，顆粒流滴注潤(rùn)滑冷卻效果比澆注潤(rùn)滑提高6%左右。

一般來(lái)說(shuō)，切削溫度是切削熱產(chǎn)生和散失的綜合平衡，刀-屑摩擦是切削熱的主要來(lái)源，同時(shí)前刀面也是切削溫度最高的區(qū)域。如同上述分析一樣，AlO納米顆粒可以改變前刀面的刀-屑摩擦性質(zhì)，滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，大幅降低摩擦(切削熱)；同時(shí)還促進(jìn)潤(rùn)滑液滲透，更有利于形成潤(rùn)滑油膜，進(jìn)一步降低摩擦(切削熱)，從而有效降低前刀面的溫度，這是顆粒流滴注潤(rùn)滑冷卻效果優(yōu)于澆注潤(rùn)滑的最大原因。散熱方面，潤(rùn)滑液通過(guò)熱交換帶走部分熱量，起到冷卻作用，但由于礦物油本身比熱容小，能帶走的熱量有限；同時(shí)還看到顆粒流滴注潤(rùn)滑比澆注潤(rùn)滑的流速慢、流量小，卻有更好的冷卻效果，說(shuō)明潤(rùn)滑液帶走熱量是切削溫度降低的次要原因。由于粗加工的前刀面摩擦更劇烈，摩擦發(fā)熱更明顯，所以更容易受潤(rùn)滑條件影響，因此粗加工時(shí)顆粒流滴注潤(rùn)滑冷卻效果更好。

3.3 粗糙度

試樣粗糙度如圖5所示：精加工時(shí)，顆粒流滴注潤(rùn)滑切削的粗糙度比干切削降低53%，澆注潤(rùn)滑比干切削降低43.3%；粗加工時(shí)，顆粒流滴注潤(rùn)滑切削的粗糙度比干切削降低44.2%，澆注潤(rùn)滑比干切削降低36.1%。

圖5 粗糙度

無(wú)論精、粗加工，顆粒流滴注潤(rùn)滑降低粗糙度都有顯著效果，而且潤(rùn)滑效果要優(yōu)于澆注潤(rùn)滑。精加工時(shí)，潤(rùn)滑效果要優(yōu)于粗加工。顆粒流滴注潤(rùn)滑的潤(rùn)滑效果比澆注潤(rùn)滑提高8.9%左右。

試樣的已加工表面是刀具和工件相互作用，經(jīng)變形、破裂、擠壓后形成，其中擠壓對(duì)加工表面質(zhì)量影響很大。傳統(tǒng)切削理論中，工件材料在刀具高速?gòu)?qiáng)力作用下，變形和破裂是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，形成的原始表面凹凸不平，需經(jīng)刀具擠壓的抹平作用，才能形成一個(gè)平整表面，因?yàn)榈毒吣p以及一些較大的凹坑無(wú)法抹平，所以最終形成的表面是一個(gè)具有一定粗糙度的表面。澆注潤(rùn)滑通過(guò)冷卻和潤(rùn)滑作用，減輕刀具磨損和摩擦的劇烈程度來(lái)降低粗糙度，但對(duì)凹坑形成的粗糙度無(wú)法解決。顆粒流滴注潤(rùn)滑除了發(fā)揮澆注潤(rùn)滑的原有作用外，AlO納米顆粒在刀具的強(qiáng)力作用下，產(chǎn)生變形和粘附，對(duì)凹坑起到填補(bǔ)作用。填補(bǔ)-抹平的雙重作用減輕了加工表面的凹坑現(xiàn)象，也就進(jìn)一步降低了工件加工表面的粗糙度。精、粗加工的效果差異，主要是切削參數(shù)和刀具磨損差異導(dǎo)致抹平效果不一樣。

綜合上述，顆粒流滴注潤(rùn)滑對(duì)切向、軸向切削力的影響和澆注潤(rùn)滑相差不大，對(duì)徑向切削力、切削溫度和粗糙度的影響則要略?xún)?yōu)于澆注潤(rùn)滑。整體上來(lái)說(shuō)，完全可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)澆注潤(rùn)滑。考慮到顆粒流滴注潤(rùn)滑中潤(rùn)滑液使用量?jī)H為澆注潤(rùn)滑的1/20,顆粒流滴注潤(rùn)滑的降成本作用、環(huán)保作用顯著，顆粒流滴注潤(rùn)滑在切削加工中簡(jiǎn)便、高效、安全和低成本的使用，值得推廣。此實(shí)驗(yàn)是顆粒流滴注潤(rùn)滑的初步實(shí)驗(yàn)，還需要進(jìn)一步研究來(lái)探明潤(rùn)滑液的性能、作用機(jī)制和作用效果。

4 結(jié)論

(1)顆粒流滴注潤(rùn)滑徑向切削力小于澆注潤(rùn)滑，切向和軸向切削力和澆注潤(rùn)滑相差不大；

(2)顆粒流滴注潤(rùn)滑切削溫度小于澆注潤(rùn)滑；

(3)顆粒流滴注潤(rùn)滑加工表面粗糙度小于澆注潤(rùn)滑；

(4)顆粒流滴注潤(rùn)滑效果可以代替澆注潤(rùn)滑，顯著降低潤(rùn)滑液用量，具有環(huán)保性。