關(guān)于乳化液與油膜附水滴切削液的對(duì)比試驗(yàn)的探索
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作者：張毅
在傳統(tǒng)的加工過程中，采用在工件及刀具上大量澆注切削液的方法起到冷卻、潤(rùn)滑、清洗和防銹等作用。眾所周知的是，切削液中常含有添加劑，大多是磷、硫、氯等有害成分，這些有害成分揮發(fā)到空氣中，給操作人員的身體健康帶來很大危害。此外，在機(jī)械加工過程中，只有很少量的切削液能夠進(jìn)入切削加工區(qū)，達(dá)到潤(rùn)滑和冷卻的效果，從而造成了大量浪費(fèi)。為了解決切削液危害性等問題，最好的方法就是能夠不使用或使用少量切削液。研究人員在探索研究新型的冷卻潤(rùn)滑方式的過程中，進(jìn)行了多方面的探索，成功研究出多種綠色制造技術(shù)，如低溫冷風(fēng)切削、干切削、最少量潤(rùn)滑技術(shù)(Minimal Quantities of Lubricant，MQI。)、微量油膜附水滴技術(shù)( Oil-on-Water，OoW)和水蒸氣冷卻潤(rùn)滑等。
OoW切削液是由少量可自然降解的潤(rùn)滑油劑、冷空氣和水在特制的霧化噴嘴槍內(nèi)經(jīng)過混合、霧化噴出，形成的價(jià)格低廉、無污染、可自然降解的新型綠色切削液。依據(jù)界面化學(xué)和油脂化學(xué)作用機(jī)理，可自然降解的油劑中所含有的油分子具有疏水基（陽離子）和親水基（負(fù)離子），其中油分子（脂肪酸）會(huì)一個(gè)一個(gè)地吸附在水滴的表面上。此外由于油分子具有擴(kuò)張性，成千上萬的油分子吸附在水滴表面，從而形成油膜，即油膜附水滴(OoW)切削液。
油膜附水滴通過高壓空氣噴射到切削加工區(qū)，水滴表面附著的油膜破碎，離散的油滴附著在被加工工件和刀具接觸部位起到潤(rùn)滑效果；水滴、破碎的油膜以及離散的油滴進(jìn)入切削區(qū)后，由于切削區(qū)的高溫作用，霧狀潤(rùn)滑液會(huì)迅速汽化，產(chǎn)生劇烈翻動(dòng)，帶走切削過程產(chǎn)生的大量熱，起到冷卻刀具和工件的作用。
切削力和工件表面粗糙度是衡量切削加工質(zhì)量好壞的重要物理量。切削力的捕捉、分析、計(jì)算以及預(yù)測(cè)對(duì)分析切削加工過程的特點(diǎn)、研究切削機(jī)理以及制定合理的切削加工用量有著非常重要的意義。工件表面粗糙度的分析研究對(duì)提高工件加工質(zhì)量有著重要意義。雖然切削加工過程中能夠?qū)η邢髁凸ぜ砻娲植诙犬a(chǎn)生影響的因素很多，但是在切削加工時(shí)所選用的刀具和機(jī)床一定的條件下，切削參數(shù)（切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量）則是對(duì)切削力和工件表面粗糙度影響最大的因素。分析對(duì)比乳化液與OoW潤(rùn)滑液對(duì)切削力和工件表面粗糙度的影響有著重要意義；此外，對(duì)生產(chǎn)實(shí)際加工中的切削參數(shù)優(yōu)化也有著重要作用。
1試驗(yàn)研究
1.1 試驗(yàn)方法
為了研究?jī)煞N潤(rùn)滑方式對(duì)切削力和工件表面粗糙度的影響，使用硬質(zhì)合金刀具對(duì)45碳素結(jié)構(gòu)鋼，在乳化液和油膜附水滴條件下進(jìn)行外圓切削試驗(yàn)。分別用瑞士奇士樂KISTLER-9272型四分力車削測(cè)力儀和JB-5C粗糙度輪廓測(cè)試儀測(cè)量切削力和表面粗糙度，觀測(cè)切削力和表面粗糙度的變化，并對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。
1.2試驗(yàn)條件
本次試驗(yàn)研究是在C620-1的普通機(jī)床上進(jìn)行的車外圓加工。主要的切削加工條件為：傳統(tǒng)乳化液潤(rùn)滑切削，冷卻介質(zhì)為5%的乳化液，流量為3.5 L／min;微量OoW潤(rùn)滑切削中，水、油及壓縮空氣的壓力分別為0.6 MPa、0.4 MPa和2 MPa，油水流量比為1：30，油流量為10 mL／h，壓縮空氣流量為100 L/min。為了方便收集切削力數(shù)據(jù)和表面粗糙度數(shù)據(jù)，對(duì)切削力試驗(yàn)和表面粗糙度試驗(yàn)選用共同的切削用量：切削速度vf=100 m／min，切削深度a，-1 mm，進(jìn)給量f分另4取0. 08、mm／r、0.12 mm／r、0.18 mm／r、0.26 mm/r和0. 35 mm/r。
刀具材料為硬質(zhì)合金YNG151C;刀具參數(shù)如下：前角Yo =12。，后角a。=8。，刃傾角A，-0。，主偏角k，一75。。工件材料為45碳素結(jié)構(gòu)鋼；工件是直徑西50mm、長(zhǎng)度500 mm的圓柱體。
2試驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1切削力試驗(yàn)結(jié)果分析
圖1為切深a。-1 mm、切削速度v．一100 m／min時(shí)，乳化液潤(rùn)滑和油膜附水滴(OoW)潤(rùn)滑兩種切削方式產(chǎn)生的進(jìn)給力Ff、徑向力Fp和主切削力Fc隨進(jìn)給量f的變化關(guān)系。
如圖1所示，隨著進(jìn)給量f的增加，兩種切削方式所產(chǎn)生的切削力也隨之增加；乳化液潤(rùn)滑產(chǎn)生的切削力稍大，是因?yàn)樵诓捎么罅康娜榛簩?duì)工件進(jìn)行澆注時(shí)可以起到散熱和潤(rùn)滑作用，但是由于刀具前刀面和切屑、刀具主后刀面和副后刀面與工件之間的擠壓作
用，采用澆注方式的乳化液難以進(jìn)入加工區(qū)，所以潤(rùn)滑效果不明顯；采用油膜附水滴切削液潤(rùn)滑過程產(chǎn)生的切削力較小，這是因?yàn)橛湍じ剿吻邢饕菏峭ㄟ^特殊噴嘴在高壓作用下噴射進(jìn)入刀具和工件、刀具和切屑的接觸區(qū)，霧狀的潤(rùn)滑液表面的油膜破裂并且粘附在切屑底層表面、刀具前刀面和切屑底層接觸區(qū)、刀具主后刀面（刀具副后刀面）和被加工工件接觸區(qū)，形成潤(rùn)滑層，能夠降低刀具和切屑的接觸長(zhǎng)度，使刀具前刀面和切屑底層間的粘結(jié)降低，摩擦減小，切屑底層的塑性流動(dòng)變快，變形減小，切削力降低。本文采用公式(1)計(jì)算切削力和粗糙度的相對(duì)減小百分比Z：
其中：X為不同進(jìn)給量下采用乳化液切削加工過程產(chǎn)生的平均主切削力、平均進(jìn)給力、平均徑向力或粗糙度；Y為不同進(jìn)給量下采用OoW切削液潤(rùn)滑產(chǎn)生的平均主切削力、平均進(jìn)給力、平均徑向力或粗糙度。經(jīng)計(jì)算使用油膜水滴切削液切削力減小的百分比見表1。
2.2粗糙度試驗(yàn)結(jié)果分析
圖2為采用兩種不同的冷卻潤(rùn)滑加工方式下工件表面粗糙度值與進(jìn)給量的關(guān)系變化。由圖2可以看出，采用OoW冷卻時(shí)獲得的表面粗糙度更低。利用公式(1)計(jì)算進(jìn)給量0.08 mm／r、0.26 mm／r處OoW潤(rùn)滑時(shí)相對(duì)乳化液潤(rùn)滑時(shí)粗糙度的減小百分比，得出工件表面的粗糙度值減小20%～50%。原因是霧狀的OoW切削液可以進(jìn)入到刀具前刀面和切屑底層接
觸區(qū)域、刀具和工件接觸表面之間，霧狀的潤(rùn)滑液在接觸區(qū)表面形成潤(rùn)滑薄膜，有效地降低切屑底層和刀具前刀面的摩擦，以及刀具與被加工工件表面之間的摩擦，減輕了切削區(qū)材料的變形程度，減小了表面粗糙度值。
3結(jié)論
(1)利用OoW切削液加工時(shí)相比于乳化液能夠取得較小的主切削力，主切削力F。減小5%左右。
(2)利用OoW切削液加工時(shí)相比于乳化液能夠取得較小的徑向力，徑向力F。減小3%左右。
(3)利用OoW切削液加工時(shí)相比于乳化液能取得較小的進(jìn)給力，進(jìn)給力Ff減小3%左右。
(4)采用OoW切削液能夠使被加工表面質(zhì)量平
均提高20%～50%。
4摘要：簡(jiǎn)述了油膜附水滴( ()ils on Water，OoW)切削液的冷卻潤(rùn)滑原理。為了研究油膜附水滴切削液和乳化液在切削45鋼過程中的冷卻和潤(rùn)滑性能，通過對(duì)澆注乳化液和OoW切削液兩種冷卻潤(rùn)滑方式下切削45鋼的切削力、工件表面粗糙度的試驗(yàn)進(jìn)行比較，分析兩種切削液的冷卻潤(rùn)滑性能。試驗(yàn)結(jié)果表明，使用OoW進(jìn)行切削潤(rùn)滑，能夠降低切削加工過程的切削力和工件表面粗糙度，與采用乳化液相比具有明顯優(yōu)勢(shì)，為實(shí)際加工過程的切削參數(shù)選擇及潤(rùn)滑液選擇提供了重要參考。
