低溫微量潤(rùn)滑切削技術(shù)概述

切削加工中大量使用切削液引發(fā)了環(huán)境污染和危害工人健康等問(wèn)題，而干式切削技術(shù)又存在諸多局限性，因此對(duì)環(huán)境污染小露乏、對(duì)人體無(wú)害的低溫微量潤(rùn)滑技術(shù)的研究成為機(jī)械加工領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。低溫微量潤(rùn)滑切削技術(shù)是低溫冷風(fēng)切削技術(shù)(Cooling Air涂邀，CA)與微量潤(rùn)滑切削技術(shù)(Minimal/Minimum Quantity Lubrication瘟仿，MQL) 的集成箱锐，它既融合了低溫冷風(fēng)切削技術(shù)與微量潤(rùn)滑切削技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)又彌補(bǔ)了2種切削技術(shù)單獨(dú)應(yīng)用時(shí)的缺陷劳较，在難加工材料的切削加工上體現(xiàn)出了顯著的優(yōu)越性驹止。

1 微量潤(rùn)滑切削技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)是將壓縮空氣與極少量的潤(rùn)滑劑混合汽化后，形成毫观蜗、微米級(jí)汽霧噴向切削區(qū)臊恋，對(duì)刀具與工件和刀具與切屑的接觸界面進(jìn)行潤(rùn)滑。在減少摩擦和粘結(jié)的同時(shí)也冷卻了切削區(qū)并有利于排屑墓捻，從而顯著地改善了切削加工條件抖仅。微量潤(rùn)滑技術(shù)的優(yōu)勢(shì)比較明顯：潤(rùn)滑劑以高速霧粒供給，改善了潤(rùn)滑劑的滲透性砖第，提高了冷卻潤(rùn)滑效果;MQL 所使用的潤(rùn)滑劑用量一般為每小時(shí)幾十毫升撤卢，而澆注切削液形式的使用量為每分鐘幾十升;MQL技術(shù)使用的潤(rùn)滑劑量很少，且具有綠色環(huán)保特性瘤希，既提高了工效玖远，又不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染;切削區(qū)域外的刀具、工件和切屑清潔干燥涡瀑，切屑經(jīng)過(guò)壓縮就可以回收使用契惶，不會(huì)增加清洗成本;MQL可以根據(jù)工況規(guī)定潤(rùn)滑的最佳濃度，消除了切削液中懸浮粒子污染婉错，改善了工人的工作環(huán)境;MQL系統(tǒng)簡(jiǎn)單驳蒙、占地小，易于安裝在各種類(lèi)型的機(jī)床上姐药。

2 低溫冷風(fēng)切削技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)是將-100~-10℃的冷風(fēng)經(jīng)噴嘴送至切削區(qū)组缎，可使切削區(qū)的溫度大大降低，同時(shí)引發(fā)被加工材料的低溫脆性削晦，使切削過(guò)程變得較為容易進(jìn)行朴轰，并相應(yīng)改善刀具磨損狀況的切削方法。低溫冷風(fēng)切削與傳統(tǒng)切削相比挥昵，能夠提高加工效率唆阿，改善工件表面質(zhì)量，而且對(duì)環(huán)境幾乎無(wú)污染锈锤。

以上2 種綠色加工技術(shù)雖然優(yōu)點(diǎn)突出驯鳖，但單獨(dú)使用時(shí)也存在諸多局限性。由于單純依靠潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑作用久免，沒(méi)有相應(yīng)的制冷設(shè)施浅辙，微量潤(rùn)滑切削技術(shù)存在以下缺點(diǎn)：冷卻性能不足，對(duì)于難加工材料切削區(qū)溫度高的問(wèn)題難以解決;潤(rùn)滑劑在高溫作用下存在潤(rùn)滑油膜破裂、潤(rùn)滑失效等問(wèn)題记舆。高速切削或材料難加工時(shí)鸽捻，切削區(qū)溫度迅速升高，潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑性能下降泽腮，導(dǎo)致加工性能惡化泊愧。而使用低溫冷風(fēng)切削時(shí)，刀具與工件材料的潤(rùn)滑性又較差盛正。如果將低溫介質(zhì)與潤(rùn)滑劑有效結(jié)合删咱，充分利用冷卻介質(zhì)降低切削區(qū)的溫度，利用潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑特性矢骚，減小摩擦凭坪，則可實(shí)現(xiàn)比大量澆注切削液更佳的冷卻潤(rùn)滑效果。這種低溫微量潤(rùn)滑切削技術(shù)不僅避免了對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染县防，而且能保持甚至提高加工質(zhì)量连谁。

北京航空航天大學(xué)綠色制造技術(shù)研究課題組自2005年以來(lái)，一直致力于低溫微量潤(rùn)滑切削技術(shù)的研究窍蟹，現(xiàn)已研制出2 套成熟的低溫微量潤(rùn)滑系統(tǒng)醋皂。

低溫微量潤(rùn)滑切削技術(shù)在幾種典型難加工材料切削加工中的應(yīng)用

難加工材料，如鈦合金舟到、高溫合金辖芍、不銹鋼、高強(qiáng)鋼等章理，通常具有強(qiáng)度高所硅、抗氧化能力強(qiáng)、耐高溫等特點(diǎn)杂蒙。它們?cè)跐M足高性能使用要求的同時(shí)营稼，也給切削加工帶來(lái)了很多難題。加工難加工材料時(shí)台腥，切削區(qū)溫度很高宏赘，刀具壽命短，零件表面質(zhì)量一般難以達(dá)到目標(biāo)要求黎侈。傳統(tǒng)切削液對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重察署，而且相關(guān)研究也表明，切削液的使用會(huì)造成刀具表面的急冷沖擊蜓竹，引發(fā)崩刃箕母、微裂紋等問(wèn)題，加速了刀具破損俱济。低溫微量潤(rùn)滑切削技術(shù)在難加工材料的切削加工上體現(xiàn)了巨大的優(yōu)越性，既滿足了零件加工質(zhì)量的要求，提高了加工效率和刀具使用壽命蛛碌，又大幅減少了切削液的使用量聂喇。

1 低溫微量潤(rùn)滑切削技術(shù)在鈦合金切削上的應(yīng)用

鈦合金因具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好蔚携、耐熱性高希太、無(wú)磁、透聲等特點(diǎn)而被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域那辰。鈦合金的主要切削性能包括：導(dǎo)熱性能低拳鹉、冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重、高溫時(shí)與氣體發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)绑燃、塑性低乍之、彈性模量小、彈性變形大等出毁。切削鈦合金材料時(shí)促奇，粘刀現(xiàn)象明顯，切屑卷曲不易快速排除管剂。

1 低溫微量潤(rùn)滑切削技術(shù)在鈦合金切削上的應(yīng)用

鈦合金因具有比強(qiáng)度高露龙、耐蝕性好、耐熱性高崇槽、無(wú)磁注辜、透聲等特點(diǎn)而被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。鈦合金的主要切削性能包括：導(dǎo)熱性能低秆廉、冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重背涉、高溫時(shí)與氣體發(fā)生劇烈化學(xué)反應(yīng)、塑性低移必、彈性模量小室谚、彈性變形大等。切削鈦合金材料時(shí)崔泵，粘刀現(xiàn)象明顯秒赤，切屑卷曲不易快速排除。

低溫切削鈦合金的方式多采用液氮或低溫冷風(fēng)切削憎瘸，Nandy A. K.等使用低溫冷風(fēng)混合一定潤(rùn)滑油劑車(chē)削加工鈦合金TC4入篮，并與工廠車(chē)間內(nèi)的傳統(tǒng)加工方式進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)此方法不僅降低了車(chē)削力幌甘，提高了刀具壽命潮售，而且在斷屑、排屑方面優(yōu)勢(shì)突出锅风。此外酥诽，Hong S. Y.鞍泉、Paul S.、VenugopalK. A.等也都采用低溫方式對(duì)鈦合金材料做了切削試驗(yàn)肮帐，并得到了不錯(cuò)的試驗(yàn)效果咖驮。本課題組采用自主研發(fā)的低溫微量潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行了一系列的鈦合金(TC4)銑削試驗(yàn)，分別采用了5種冷卻潤(rùn)滑方式：干式切削代徒、傳統(tǒng)澆注式切削市口、冷風(fēng)切削(CA)、微量潤(rùn)滑切削(MQL)和低溫微量潤(rùn)滑切削(MQL-CA)昔黍，并研究了各種冷卻潤(rùn)滑方式對(duì)刀具磨損穗俩、切削力、加工表面質(zhì)量的影響伴糟。其中圖1熏祝、2分別為不同冷卻潤(rùn)滑方式下的銑削力值、刀具磨損進(jìn)程隨時(shí)間變化曲線棺距。試驗(yàn)結(jié)果表明：在選定的切削參數(shù)余二，使用低溫微量潤(rùn)滑方式切削鈦合金TC4 能有效減小切削力、刀具磨損榴蜻，提高刀具壽命秕肌，改善已加工表面質(zhì)量，并且實(shí)現(xiàn)了低溫微量潤(rùn)滑切削鈦合金TC4的加工效率比傳統(tǒng)的澆注式切削提高了20%~30%瞎喉。

2 低溫微量潤(rùn)滑切削技術(shù)在高溫合金(GH4169)切削上的應(yīng)用

高溫合金按基體金屬可分為鐵基高溫合金好唯、鎳基高溫合金和鈷基高溫合金。高溫合金具有優(yōu)良的耐高溫燥翅、耐腐蝕特性骑篙，在飛機(jī)、火箭等關(guān)鍵件設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用森书。該材料具有導(dǎo)熱率低靶端、加工硬化嚴(yán)重、切削時(shí)粘結(jié)現(xiàn)象嚴(yán)重凛膏、刀具磨損劇烈等特點(diǎn)杨名。

由于GH4169材料的應(yīng)用范圍廣泛，但其加工性能極差猖毫，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)該材料的低溫加工特性做了較為深入的研究台谍。Kim S. W.和Zhong Z. W.使用低溫切削高溫合金，延長(zhǎng)了刀具壽命的同時(shí)吁断，還提高了工件的表面質(zhì)量趁蕊。北京航空航天大學(xué)綠色制造技術(shù)研究課題組在使用低溫微量潤(rùn)滑切削高溫合金GH4169上做了大量研究。其中圖3 是在不同切削參數(shù)下傳統(tǒng)澆注切削與低溫微量潤(rùn)滑切削高溫合金GH4169的銑削力值曲線;圖4 為2 種冷卻潤(rùn)滑方式在不同切削參數(shù)下的工件表面粗糙度值對(duì)比;圖5表示2種冷卻方式下工件表面硬度情況仔役。研究表明妒贞，在所選定的切削參數(shù)下翁写，使用低溫微量潤(rùn)滑切削GH4169可以顯著降低切削力、已加工表面粗糙度值占赤，提高刀具壽命居截，并且工件加工硬化現(xiàn)象也有所改善算换。

3 低溫微量潤(rùn)滑切削技術(shù)在切削不銹鋼上的應(yīng)用

本課題組就1Cr18Ni9Ti不銹鋼作為切削試驗(yàn)對(duì)象嫩玻，1Cr18Ni9Ti不銹鋼的相對(duì)可切削性約在0.3～0.5之間，是一種難切削材料客惨，其切削加工特性主要表現(xiàn)在：(1)高溫強(qiáng)度和高溫硬度高尘腕，在700℃時(shí)其機(jī)械性能仍沒(méi)有明顯的降低，故切屑不易被切離践赁，切削過(guò)程中切削力大摸马，刀具易磨損;(2)塑性和韌性高，延伸率胧扇、斷面收縮率和沖擊值都較高五逢，切屑不易切離、卷曲和折斷牢贸，切屑變形所消耗的功能增多竹观，并且大部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，使切削溫度升高;(3)該材料的導(dǎo)熱率低潜索，散熱差臭增，由切屑帶走的熱量少，大部分的熱量被刀具吸收竹习，致使刀具的溫度升高誊抛，加劇刀具磨損;(4)該材料熔點(diǎn)低，易于粘刀整陌，切削過(guò)程中易形成積屑瘤拗窃，影響表面加工質(zhì)量。

由于1Cr18Ni9Ti的切削加工性很差泌辫，特別是在斷續(xù)切削時(shí)随夸，刀具極易產(chǎn)生磨損和粘結(jié)破損。本課題組研究了該種不銹鋼在低溫微量潤(rùn)滑條件下的銑削特性甥郑。通過(guò)試驗(yàn)比較了不同切削參數(shù)下傳統(tǒng)切削和低溫微量潤(rùn)滑切削的冷卻潤(rùn)滑效果逃魄。結(jié)果表明：在所選的材料和切削參數(shù)條件下，采用低溫微量潤(rùn)滑切削在抑制刀具磨損和降低切削力方面的效果明顯好于傳統(tǒng)切削;同時(shí)冷風(fēng)溫度對(duì)刀具磨損有一定的影響澜搅，尤其在線速度較大的情況下窄兜，冷風(fēng)溫度越低，抑制刀具磨損的效果越好;但冷風(fēng)溫度對(duì)切削力的影響較小屋犯。

4 低溫微量潤(rùn)滑切削技術(shù)在高強(qiáng)鋼切削上的應(yīng)用

高強(qiáng)度鋼是指強(qiáng)度及韌性方面結(jié)合很好的鋼種恤兴，抗拉強(qiáng)度一般在1200MPa以上塔苦，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后可獲得較高的強(qiáng)度，硬度在HRC30～50之間闽但。隨著機(jī)械工業(yè)的發(fā)展医窖，對(duì)機(jī)器和零件的性能要求越來(lái)越高，高強(qiáng)鋼的使用更加普遍阁喉，零件在制造過(guò)程中的加工難度日益凸顯蔽树。高強(qiáng)度鋼具有以下加工特點(diǎn)：切削力大，在相同的切削條件下切削力值是切削45號(hào)鋼的1.17～ 1.49倍;切削溫度高;刀具耐用度低;斷屑性能差噪设。

本課題組就低溫微量潤(rùn)滑切削技術(shù)切削高強(qiáng)鋼的應(yīng)用上也做了大量研究碗挟。通過(guò)高強(qiáng)鋼的銑削試驗(yàn)比較了干式切削、傳統(tǒng)澆注切削乔墙、低溫冷風(fēng)切削和低溫微量潤(rùn)滑切削的冷卻潤(rùn)滑效果竞谒，研究了這幾種冷卻潤(rùn)滑方式對(duì)切削力、刀具磨損腔召、表面粗糙度和切屑的影響杆查。試驗(yàn)結(jié)果證明：在所選的材料和切削參數(shù)條件下，采用低溫微量潤(rùn)滑的銑削力僅為傳統(tǒng)切削的60%臀蛛，并且其可以較好的抑制刀尖處粘接物的產(chǎn)生亲桦，降低刀具磨損，提高工件表面質(zhì)量掺栅。試驗(yàn)中觀測(cè)到使用低溫微量潤(rùn)滑方式切削產(chǎn)生的切屑幾乎無(wú)藍(lán)色區(qū)域烙肺，藍(lán)色切屑是高溫下切屑被氧化形成的。這說(shuō)明低溫微量潤(rùn)滑方式有效解決了切削高強(qiáng)鋼時(shí)切削區(qū)溫度高的難題氧卧。

結(jié)束語(yǔ)

低溫微量潤(rùn)滑技術(shù)能夠提供與傳統(tǒng)澆注切削相當(dāng)甚至更好的冷卻潤(rùn)滑性能桃笙，在適宜的切削參數(shù)下，可以更有效地解決切削難加工材料時(shí)沙绝，切削區(qū)溫度高搏明，刀具壽命短等難題。它給切削難加工材料提供了一種清潔闪檬、高效的方法星著。

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