傳統(tǒng)機(jī)械加工中切削液減量技術(shù)的研究*

裴宏杰 劉成石 付坤鵬 王貴成

(江蘇大學(xué)精密工程研究所，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

切削液在機(jī)械加工中的主要功用為冷卻、潤滑、清洗和防銹[1]。由于切削液在排放前必須進(jìn)行處理以達(dá)到環(huán)保要求，使得在工件總加工成本當(dāng)中，切削液費(fèi)用成本超過了刀具。

我國目前各類機(jī)床保有總量為700萬臺(tái)左右，保守估計(jì)其中的50%使用切削液，并按每臺(tái)機(jī)床平均每月消耗切削液80 dm3估算，每年切削液的消耗總量的估計(jì)值即為336萬m3[2]。當(dāng)前企業(yè)機(jī)械加工所采用的冷卻方式，基本上都是采用傳統(tǒng)的大量澆注切削液進(jìn)行，規(guī)模大的企業(yè)采用中央供液系統(tǒng)，小一點(diǎn)的企業(yè)采用單機(jī)供給。要在不降低工件加工質(zhì)量基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工過程中的節(jié)能減排，減少切削液用量，可以采用的措施主要有兩種：

一個(gè)辦法是采用綠色切削新技術(shù)，如MQL加工[3-5]、冷風(fēng)加工[6]等，這需要企業(yè)新購裝備或者改造設(shè)備，投資較大。或者關(guān)掉切削液，采用干切削技術(shù)[3]，但受到刀具磨損、加工質(zhì)量及機(jī)床變形等因素的限制。

另一個(gè)辦法是采用傳統(tǒng)大量澆注切削液的減量技術(shù)，這個(gè)技術(shù)的實(shí)施，對所用加工機(jī)床不需要改造或者局部簡單改造，分析其冷卻潤滑機(jī)理，對噴射位置、噴射速度等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，可降低切削液的用量。

當(dāng)前對MQL等綠色切削研究的較多，對大量保有的澆注式冷卻裝置的機(jī)床，如何減少切削液的用量的研究鮮見。本文僅從噴射參數(shù)的角度探討切削液減量的可行性，針對當(dāng)前的機(jī)床裝備條件下，對供液裝置進(jìn)行局部簡單改造，在合適位置下進(jìn)行澆注，保證加工質(zhì)量基礎(chǔ)上，減小切削液用量進(jìn)行了研究，對企業(yè)生產(chǎn)具有參考意義。

1 噴射參數(shù)對切削液用量的分析

1.1 切削液減量的可行性

在機(jī)械加工中，影響切削液用量的因素，包括切削用量、工件材料、切削液和噴射參數(shù)等，如圖1所示。傳統(tǒng)大量澆注切削液時(shí)，到達(dá)切削變形區(qū)的路徑，一般認(rèn)為有4個(gè)方向，如圖2所示A、B、C、D。不管從哪里滲入，能夠進(jìn)入變形區(qū)的切削液的量都很少。

在大量澆注切削液時(shí)，一方面受到切屑阻擋及刀具或工件的高速運(yùn)動(dòng)的離心力，使得大部分切削液向四周飛濺，并不能夠靠近和接觸刀具、工件和切屑的表面。另一方面，由于切削區(qū)表面的高溫，產(chǎn)生膜態(tài)沸騰[7]，在切削液和基體表面形成切削液蒸汽膜，此蒸汽膜又阻礙了低速切削液進(jìn)入變形區(qū)，最終只有少量切削液進(jìn)入，起到冷卻潤滑作用。

所以，通過采用定向噴射，以能夠穿越膜態(tài)沸騰和高速旋轉(zhuǎn)離心力的噴射速度，完全可以減少切削液的用量。

1.2 噴射方向的選擇

如圖2所示，切削液沿A方向滲入，需要突破第二變形區(qū)，而在第二變形區(qū)，切屑沿前刀面排出，正壓力很大，切屑甚至粘接在前刀面，摩擦與擠壓劇烈，產(chǎn)生大量熱量，溫度極高。切屑不斷地與前刀面粘結(jié)撕扯，一般壓力和流速的切削液逆著切屑流出方向很難滲透進(jìn)去，只能在表層起冷卻作用，因此效果較差；C方向?yàn)閺耐獠繃娚涞降谝蛔冃螀^(qū)，切削層金屬在第一變形區(qū)產(chǎn)生剪切滑移為主的塑性變形，表面可能產(chǎn)生極小縫隙，但在高壓和高溫條件下，使得滲透十分有限；同樣從D方向從側(cè)面也很難滲透進(jìn)入變形區(qū)。而B方向?yàn)檠氐毒吆蟮睹娣较驀娚涞降谌冃螀^(qū)。一般刀具都有后角，過渡表面與后刀面之間形成楔形縫隙，切削液能夠比較容易地滲透靠近第三變形區(qū)。刀具與工件之間的相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生“抽吸”現(xiàn)象，在楔形區(qū)產(chǎn)生負(fù)壓[8]，而且加工表面會(huì)有微型溝槽，形成毛細(xì)管[9]，同時(shí)相對于第一變形區(qū)和第二變形區(qū)，壓力和溫度較低，從而比較容易進(jìn)入到第三變形區(qū)。另外，第三變形區(qū)對加工質(zhì)量影響較大，切削液的潤滑作用，可以有效減小切削力，減小表面粗糙度值。根據(jù)相關(guān)研究[9-10]，主后刀面是最佳噴射途徑。

1.3 噴嘴靶距的確定

靶距是影響冷卻潤滑效果的一個(gè)重要因素[10-11]。切削液以一定的速度離開噴嘴后，液流在空氣中受重力、空氣阻力的綜合作用，其動(dòng)能將逐漸減小。因此增加靶距即增加了切削液的動(dòng)能損耗，減小了液流的速度，從而減弱了切削液的滲透作用；另外靶距增大，切削液的徑向分布范圍增加，會(huì)有大量切削液處于變形區(qū)以外，不能起到作用，因而靶距不能太大。另外，如果靶距太小，切削液的徑向分布范圍太小，不足以覆蓋變形區(qū)。因此，存在一個(gè)最佳靶距。

2 試驗(yàn)條件和參數(shù)

實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用德國Spinner公司生產(chǎn)的SB-CNC超精密數(shù)控車床，測力系統(tǒng)采用瑞士奇士樂公司的Kistler9293A三向動(dòng)態(tài)壓電式測力儀以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)；表面質(zhì)量測量采用日本三豐公司生產(chǎn)的MITUTOYO SJ201粗糙度儀，刀具采用Sandvik 公司生產(chǎn)的CoroTurn 107車刀片(SCMT09T304-PF 4225)。

切削液采用MASTER TRIM C270全合成切削液，混合體積比例5%，對正火態(tài)45鋼進(jìn)行精密車削試驗(yàn)。所采用的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 切削實(shí)驗(yàn)參數(shù)

項(xiàng)目名稱參數(shù)刀具角度CoroTurn 107 車刀片αo=0呝,γo=7呝,κr=75呝,κ'r=15呝,λ=0呝切削用量切削速度v/(m/min)179,269,358,448,537進(jìn)給量f/(mm/r)0.02,0.03,0.04,0.05,0.06切削深度ap/mm0.3

為了改變切削液用量，設(shè)計(jì)了A、B、C、D、E五種噴嘴，結(jié)構(gòu)如圖3所示，相關(guān)參數(shù)如表2所示。

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為變流量速度，射流速度為300 m/min。A、B、C、D、E噴嘴對應(yīng)的切削液流量如表2所示。

表2 噴嘴結(jié)構(gòu)及噴射參數(shù)

項(xiàng)目參數(shù)噴嘴A噴嘴B噴嘴C噴嘴D噴嘴E噴嘴結(jié)構(gòu)直徑?2/mm53.532.52直徑?1/mm64.543.53直徑?3/mm11高度h1/mm5高度h2/mm8高度h3/mm5高度h4/mm18螺紋M1/mm10長度L/mm12噴射參數(shù)噴射方向主后刀面噴射靶距/mm20流量/(L/min)5.92.92.121.471.14

噴射方向，選定為主后刀面。靶距，根據(jù)前期研究[10]，確定為20 mm。

3 結(jié)果和討論

3.1 切削液流量對切削力的影響

圖4a為5種切削液流量下切削合力F隨切削速度v的變化(背吃刀量ap為0.3 mm，進(jìn)給量f為0.03 mm/r，靶距為20 mm，噴射位置為主后刀面)。由圖可知，總體來說，切削力隨切削速度的增大而逐漸減小。因?yàn)殡S著切削速度的增大，切削變形減小，而且切削速度增大，切削溫度會(huì)上升，改變材料的流動(dòng)特性。與最大流量5.9 L/min的切削力相比，其他4種不同流量下的切削力差距都較小，最大差距是在179 m/min時(shí)，流量2.12 L/min切削力為64.4 N(流量5.9 L/min的切削力為60 N)，相差4.4 N，為7.3%。不同流量切削力差距最小為在537 m/min時(shí)，最大為1.14 L/min的61.6 N，最小為1.47 L/min的60 N，相差為1.6 N；相差最大在358 m/min時(shí)，最大為1.14 L/min的63.5 N，最小為2.9 L/min的56.5 N，相差為7 N。其中2.9 L/min和1.47 L/min流量的切削力總體小于5.9 L/min的切削力。

圖4b為5種切削液流量下切削合力F隨進(jìn)給量f的變化(背吃刀量ap為0.3 mm，切削速度v為358 m/min，靶距為20 mm，噴射位置為主后刀面)。由圖可知，切削力隨進(jìn)給量的增大而增大，基本是呈線性增長。隨著進(jìn)給量增大，切削厚度增大，單位時(shí)間去除量增大，切削力增大。其中2.9 L/min和1.47 L/min流量的切削力總體小于5.9 L/min的切削力，1.47 L/min流量切削力比2.9 L/min的切削力更小，2.12 L/min的切削力基本大于5.9 L/min的切削力，1.14 L/min的切削力與5.9 L/min的切削力交叉。

根據(jù)金屬切削理論，對切削力影響最大的是第二變形區(qū)，即前刀面和切屑的接觸區(qū)域，第三變形區(qū)的影響所占比例較小。一般機(jī)床切削液供應(yīng)采用葉片泵，切削液壓力較小，使得切削液很難通過前刀面-切屑之間的高壓接觸區(qū)域，進(jìn)入變形區(qū)。從主后刀面噴射切削液，相對來講更容易進(jìn)入，從而發(fā)揮作用，但對切削合力來講，所占比例較低，所以總體來說，切削液不同流量對切削力影響的差距較小。其中，流量2.9 L/min和1.47 L/min的切削力要小于最大流量5.9 L/min的，主要原因是覆蓋面積內(nèi)的切削液壓力較大，能夠更容易滲入變形區(qū)，而1.14 L/min的流量因?yàn)楦采w面積較小，進(jìn)入的切削液量不足，使得切削力減小不到1.47 L/min。

3.2 切削液流量對表面粗糙度的影響

圖5a為5種切削液流量下表面粗糙度Ra隨切削速度v的變化(背吃刀量ap為0.3 mm，進(jìn)給量f為0.03 mm/r，靶距為20 mm，噴射位置為主后刀面)。由圖可知，總體趨勢為，表面粗糙度值隨切削速度的增大而逐漸減小。隨著切削速度的增大，切削變形減小，粗糙度值減小。圖4b為5種切削液流量下表面粗糙度Ra隨進(jìn)給量f的變化(背吃刀量ap為0.3 mm，切削速度v為358 m/min，靶距為20 mm，噴射位置為主后刀面)。隨著進(jìn)給量的增大，工件表面殘留高度增大，粗糙度值增大。相對于5.9 L/min，其他4種小流量的工況，由于覆蓋區(qū)內(nèi)的切削液的壓力和平均速度較高，能夠更加容易滲透進(jìn)入第三變形區(qū)，減小后刀面與工件表面的摩擦，使得表面粗糙度值總體減小。

3.3 切削液用量分段分析

為了更加清晰地說明和便于理解切削液減量的可能性，將切削液用量劃分梯度區(qū)域。傳統(tǒng)澆注大用量流量5.9 L/min作為100%區(qū)域；2.9 ～2.12L/min流量，相當(dāng)于30%～50%區(qū)域；1.47 L/min和1.14 L/min流量，相當(dāng)于20%～25%，區(qū)域。將2.9 L/min和2.12L/min、1.47 L/min和1.14 L/min對應(yīng)的切削力和粗糙度進(jìn)行平均，然后作圖，如圖6所示。

從圖6可知，通過定向噴射，切削液用量是可以大幅減小的，表面粗糙度值基本隨切削液用量的減小而減小。當(dāng)切削液用量減小為1/3～1/2的切削力，與100%用量的切削力則有交錯(cuò)，當(dāng)切削液用量減小為1/5～1/4，總體低于切削液用量100%的切削力。但是，由于實(shí)驗(yàn)采用精加工參數(shù)，進(jìn)給量和背吃刀量較小，所以切削力彼此相差不大。但對于加工質(zhì)量來講，表面粗糙度得到了較大改善。

4 結(jié)語

對于精加工，通過實(shí)驗(yàn)研究，采用主后刀面噴射，靶距20 mm，不對機(jī)床改造，僅采用小直徑的噴嘴，可顯著減小切削液用量，可以降低到傳統(tǒng)用量的1/5～1/4，同時(shí)不降低加工質(zhì)量。