微量潤滑對切削加工殘余應力的影響＊

賀愛東，葉邦彥?，覃孟揚，徐蘭英，梁立東

（1．華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640；2．廣東技術師范學院 機電學院，廣東 廣州 510665）

在傳統切削加工中，為了提高加工質量、延長刀具使用壽命，往往需要使用大量潤滑液．傳統潤滑液含有許多復雜化學成分，排放時對環境造成很大的負面影響，被認為是環境污染的重要因素之一，因此世界主要工業國家對潤滑液的排放制訂了嚴格的環保標準，并大力發展綠色加工技術以代替傳統潤滑切削．微量潤滑技術（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，噴射到切削區進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潤滑方式的1%，環保效果等同于（準）干切削，但它的加工綜合效果優于傳統潤滑方式［1］，因此被認為是最具有推廣前途的綠色加工技術，在學術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，國內外學者從裝備設計、潤滑冷卻機理、環保效果、加工質量各方面對MQL進行了大量研究［2－4］．在工件加工表面質量方面，研究多數集中在MQL 對加工表面粗糙度的影響效果上，多位學者［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量，認為MQL加工表面粗糙度和傳統潤滑切削幾乎等同，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識．加工表面質量另一個重要指標是切削殘余應力，它對工件使用性能、疲勞強度和耐腐蝕性有著重要影響［10－13］．文獻［14］研究了在干切削、濕式切削以及MQL 條件下，切削參數對AISI316Lsteel材料加工表面殘余應力的影響；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，發現MQL易形成拉－壓型殘余應力．但有關系統闡述MQL切削表面殘余應力分布及作用機理的研究文獻很少，無法對MQL 切削殘余應力規律形成全面的認識，因此需要對此問題進行更深入研究．

本研究針對上述問題進行了MQL車削加工殘余應力的實驗研究．在干切削、風冷切削、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不銹鋼進行車削，然后通過試樣的殘余應力、切削力和切削溫度的結果，利用加工殘余應力形成的熱力耦合理論，分析不同潤滑方式殘余應力差異的原因，最后得出MQL 影響切削殘余應力分布的規律及機理．研究結果有助于全面了解MQL 加工機理，同時為在綠色制造工藝過程中調整和控制工件切削殘余應力、提高工件加工質量提供一定的實驗依據，具有一定的工程意義．

1 實 驗

1．1 實驗設置

實驗加工工藝為車削，機床為CA6140（見圖1）．試樣材料為45鋼、40Cr（淬硬）鋼（表面淬硬后進行殘余應力消除處理）、40Cr（退火）鋼和304 不銹鋼，力學性能見表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和刀具幾何參數，僅改變潤滑條件．切削參數為：主切削速度vc＝2m／s，進給速度f＝0．1 mm／s，切削深度ap＝0．2mm．刀具為TiAlN 涂層硬質合金車刀，幾何參數見表2．每一種材料分別在干切削、（室溫）風冷切削，（傳統）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型植物油基環保潤滑液．

圖1 實驗現場Fig．1 Test site

表1 試樣力學性能Tab．1 Mechanical properties of sample

表2 刀具幾何參數Tab．2 Tool geometry

MQL 壓縮氣體壓強為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，和機床主軸方向成45°，噴管口離刀尖距離為20mm．

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

1．2 殘余應力測量

車削實驗完成后，對加工后的試樣采用硝酸導電腐蝕法，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力σx和切向殘余應力σy．殘余應力值以正值代表拉應力，以負值代表壓應力．

2 結果和討論

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（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來吸收熱量．濕式切削冷卻效果是最強的；但在同切削參數條件下，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，可以認為風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、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幾個因素（如摩擦、切削溫度），因此無法對切削力產生大的影響，切削力變化有限．風冷切削中，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

試樣切削殘余應力如圖4－圖7 所示．不同材料干切削的殘余應力性質并不一樣，45鋼和40Cr（退火）鋼獲得了拉－壓混合的切削殘余應力，而40Cr（淬硬）鋼和304不銹鋼則獲得殘余拉應力．最大殘余拉應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．切削殘余應力是工件加工表面的機械效應和熱效應的耦合結果，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力，而且其最大的殘余拉應力值也比45 鋼和40Cr（退火）鋼明顯要大．40Cr（淬硬）鋼的殘余應力層厚度是所有試樣中最小的，這和40Cr（淬硬）鋼的硬度高導致加工硬化層較薄有關．

相同切削條件下，各種潤滑方式的切削殘余應力和干切削對比，其差異可以認為是由于潤滑方式影響殘余應力所致．風冷切削在各個試樣軸向和切向的殘余應力和干切削都很接近，說明其對殘余應力產生的影響很小．MQL 和濕式切削的殘余應力和干切削差別就非常明顯，而且二者的殘余應力曲線非常接近，說明MQL 對殘余應力的影響和濕式切削類似．總體來看，MQL 對殘余應力的影響趨勢是降低拉應力、增大壓應力；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致了加工表面下方產生殘余壓應力．

圖3 切削力Fig．3 Cutting force

試樣軸向殘余應力σx和切向殘余應力σy大小并不相同，40Cr（淬硬）還出現了軸向為拉－壓混合應力，切向為拉應力的試樣．原因在于殘余應力是熱力耦合而成，當熱效應大于機械效應時，形成拉應力；當機械效應大于熱效應時，形成壓應力．在試樣同一采樣點上，熱效應是各向同性的，但機械效應由于受刀具運動方向的影響，為各向異性，這導致了最終形成的殘余應力也是各向異性，即不同方向有不同的大小或不同性質的殘余應力；同時，這也可能使潤滑方式對同一點殘余應力的影響因方向不同而存在差異．殘余應力實驗結果也顯示，對于所有試樣，MQL對軸向和切向的殘余應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械效應和熱效應的間接表現，實驗結果顯示，風冷對于機械效應和熱效應的影響都很小，它對切削殘余應力的影響也就很小．而MQL 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力和干切削明顯不一樣．殘余應力形成的熱力耦合理論及實驗切削溫度和切削力的結果顯示，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，所以殘余應力狀態為降低拉應力和增大壓應力，甚至出現了拉應力向壓應力轉變的試樣．

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

殘余應力分布狀態除了應力性質和大小外，還包括一些位置特征值，如最大拉應力位置、最大壓應力位置和應力層厚度．實驗發現，潤滑方式改變了殘余應力大小或性質的同時，對上述位置特征值的影響卻很小．具體體現為所有最大殘余拉應力不受潤滑方式影響，都處于試樣最外表面；最大壓應力位置和應力層厚度也沒有因潤滑方式不同而發生變化；或者只發生很小的變化，沒有使殘余應力分布狀態發生明顯改變．其中冷風切削的殘余應力特征值和干切削的接近，濕式切削的殘余應力則和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果，以及MQL 對殘余應力大小影響大、對特征位置影響很小的特性都表明：MQL 對切削熱效應的影響要明顯大于對機械效應的影響，MQL 影響切削殘余應力主要是通過抑制熱效應來形成的．

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

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

圖7 304不銹鋼切削殘余應力Fig．7 Machined residual stress of 304stainless steel

MQL在切削中的主要作用是冷卻和潤滑．根據上述分析，冷卻在殘余應力變化中起了主導作用，如果能進一步提高MQL 冷卻性能，就可以在更大程度上降低工件殘余拉應力，或者形成更大的殘余壓應力，從而獲得較好的殘余應力分布．如果MQL冷卻性能足夠好，理論上可以形成純壓應力類型的殘余應力，這對提高工件疲勞強度是非常有利的．MQL潤滑性能對切削殘余應力的影響是雙向的，一方面潤滑可以降低摩擦，減小機械效應，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生，抑制熱效應，降低了加工表面受拉的趨勢．由于最終殘余應力的大小及性質都是這兩方面共同作用的結果，所以MQL 潤滑性能對殘余應力分布的影響比較復雜，需要作進一步的研究．

3 結 論

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

2）MQL對切削殘余應力的影響因工件材料和熱處理狀態而不同，對韌性和強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對熱效應的抑制是影響切削殘余應力的主要機理；MQL 通過機械效應對切削殘余應力產生的影響較小．

［1］LI Kuan－ming，LIANG S Y．Modeling of cutting forces in near dry machining under tool wear effect［J］．International Journal of Machine Tools and Manufacture，2007，47（7／8）：1292－1301．

［2］TAWAKOLI T，HADAD M J，SADEGHI M H．Influence of oil mist parameters on minimum quantity lubrication－MQL grinding process［J］．International Journal of Machine Tools and Manufacture，2010，50（6）：521－531．

［3］SARIKAYA M，GüLLü A．Taguchi design and response surface methodology based analysis of machining parameters in CNC turning under MQL［J］．Journal of Cleaner Production，2014，65（15）：604－616．

［4］ZEILMANN R P，WEINGAERTNER W L．Analysis of temperature during drilling of Ti6Al4V with minimal quantity of lubricant［J］．Journal of Materials Processing Technology，2006，179（12）：124－127．

［5］HEINEMANN R，HINDUJA S，BARROW G，etal．Effect of MQL on the tool life of small twist drills in deep－hole drilling［J］．International Journal of Machine Tools and Manufacture，2006，46（1）：1－6．

［6］FRATILA D．Evaluation of near－dry machining effects on gear milling process efficiency［J］．Journal of Cleaner Production，2012，17（9）：839－845．

［7］ATTANASIO A，GELFI M，GIARDINI C，etal．Minimal quantity lubrication in turning：effect on tool wear［J］．Wear，2006，260（3）：333－338．

［8］HASSAN A，ZHENG Qiang－yao．Minimum lubrication milling of titanium alloys［J］．Materials Science Forum，2004，471／472：87－91．

［9］王成勇．用最小量冷卻液法鉆削航空鋁－鈦多層復合板［J］．機械工程學報，2002，38（6）：93－98．

WANG Cheng－yong．Al－Ti compound plates dry drilling by means of mms method［J］．Journal of Mechanical Engineering，2002，38（6）：93－98．（In Chinese）

［10］鄧朝暉，劉改，劉祿祥，等．強力砂帶平面磨削工件表面殘余應力的研究［J］．湖南大學學報：自然科學版，1995，22（6）：65－69．

DENG Zhao－hui，LIU Gai，LIU Lu－xiang，etal．Study on residuals tress in surface layer of powerful belt surface grinding［J］．Journal of Hunan University：Natural Sciences，1995，22（6）：65－69．（In Chinese）

［11］李源，韓旭，葉南海，等．減速器弧齒錐齒輪動態嚙合疲勞強度研究［J］．湖南大學學報：自然科學版，2010，37（6）：32－35．

LI Yuan，HAN Xu，YE Nan－hai，etal．Study of the fatigue strength of the dynamic meshing of the spiral bevel gears of reducer［J］．Journal of Hunan University：Natural Sciences，2010，37（6）：32－35．（In Chinese）

［12］覃孟揚，葉邦彥，賀愛東．基于熱力耦合分析的預應力切削殘余應力研究［J］．華南理工大學學報：自然科學版，2012，40（1）：47－52．

QIN Meng－yang，YE Bang－yan，HE Ai－dong．Investigation into residual stress of pre－stress cutting based on thermo－mechanical coupling analysis［J］．Journal of South China University of Technology：Natural Science Edition，2012，40（1）：47－52．（In Chinese）

［13］QIN Meng－yang，YE Bang－yan，JIA Xiong，etal．Experimental investigation of residual stress distribution in pre－stress cutting［J］．Advanced Manufacturing Technology，2013，65（1／4）：355－361．

［14］LEPPERT T，PENG Ru－lin．Residual stress in surface layer after dry and MQL turning of AISI 316Lsteel［J］．Production Engineering，2012，6（4／5）：367－374．

［15］PUSAVEC F，HAMDI H，KOPAC J，etal．Surface integrity in cryogenic machining of nickel based alloy－inconel 718［J］．Journal of Materials Processing Technology，2011，211（2）：773－783．