摘要

在機械加工過程中使用切削液可以降低切削溫度，并為工具和工件提供潤滑。這意味著更長的工具壽命和改進的表面質量。由于在機加工中使用流體與環(huán)境、健康和制造成本有關的問題，需要選擇減少其使用。一種稱為最低量潤滑(MQL)的技術，利用壓縮空氣向切割區(qū)域噴射少量切割液（約10-100毫升/小時），融合干切割和洪水冷卻的優(yōu)點。對于切削液的類型，植物油由于其優(yōu)越的潤滑性和高壓性能，是MQL中常用的切削液。本研究評價了使用蓖麻油作為切削液的MQL的性能。工件為硬化不銹鋼48HRC。并將試驗結果與干式切削的試驗結果進行了比較。研究發(fā)現(xiàn)，在特定的車削過程中，使用少量50ml/h的潤滑劑比干切削有更好的效果。表面粗糙度和切割力也有所增強，盡管略有增強。從結果來看，MQL可以是一種很好的技術，為車削硬化不銹鋼使用涂層硬質合金切割工具，切割參數(shù)高達170m/min切割速度和0.24mm/轉速的飼料。

1、    介紹

在加工過程中使用切削液對降低溫度和工件的潤滑有顯著作用，從而延長刀具壽命，提高表面質量。另一方面，眾所周知，在機械加工中使用切削流體對環(huán)境、工人的健康和制造成本都有副作用。根據(jù)克洛克和艾森布拉特·[1]的數(shù)據(jù)，切割液體的成本約占總產(chǎn)量的17%?？紤]到按工具計算只有4%，這個數(shù)字很大。還報告說，通過降低切削液[2]的處理成本，減少切削液的使用在經(jīng)濟上是有利的。切削液濃度從5%降低到3%可以延長工具壽命。由于在機械加工中使用流體需要解決的問題，研究人員一直在尋找減少其使用的選擇。

最近，一種被稱為微量潤滑(MQL)的技術被開發(fā)出來，以合并干切割和濕切割的優(yōu)點。MQL是一種利用壓縮空氣向切割區(qū)區(qū)域噴射少量切割液(約10-100ml/h)的技術。在提高刀具壽命、降低切割力和溫度、提高表面質量方面，整體性能優(yōu)于干轉彎和常規(guī)濕轉彎，有利于環(huán)境和經(jīng)濟[4,5]。它被用于加工各種工件材料，包括鋼、鋁合金和鉻鎳鐵，使用硬質合金工具[6,7,10]。使用MQL，切削液可以深入到工具芯片和工具工件界面，從而取得積極的效果。

切削流體類型也是機械加工中的重要參數(shù)。Avila和Abrao[3]調查使用不同的切割液（兩個乳劑和一個合成）相比干切時將硬化鋼(49HRC)使用混合氧化鋁工具，發(fā)現(xiàn)乳狀液液體（沒有礦物油）和干切產(chǎn)生更好的結果比合成液體和乳劑與礦物油。在本研究中，使用植物油作為切削液是一個值得關注的問題。植物油是MQL常用的切削液，因為其優(yōu)越的潤滑和高壓性能[8]。植物油在許多應用的資源可再生性、生物降解性和性能效率方面具有環(huán)境友好的形象。它們在MQL中的應用已經(jīng)有一些積極的結果被報道。Dhar等人[4]報道，使用植物油應用MQL技術比干切的切割力降低了5-15%。Khan等人[9]報道，MQL在使用植物油作為切削液加工AISI9310合金鋼時，MQL提高了可加工性能。

本研究評價了使用蓖麻油作為切削液的MQL的性能。工件為硬化不銹鋼48HRC。并將試驗結果與干式切削的試驗結果進行了比較。

2、    試驗細節(jié)

機加工是在Alpha1350S數(shù)控車床上進行。刀具為WC-6%wCo基材，上面覆蓋著PVDTiAlN涂層。該涂層硬質合金工具的ISO名稱為CNMG120408，其鼻部半徑上的雨刮器幾何形狀為0.8毫米。它被安裝在一個右工具架上，ISO指定為MCLNR1616H12，給予-5?側和后耙角，5?側和末端切邊角和0?浮雕角。工件為AISI420不銹鋼棒，硬度為47-48HRC。據(jù)制造商通知，該工件的化學成分分別為0.38%C、0.9%Si、0.5%Mn、13.6%Cr和0.3%V。切削參數(shù)為切削速度為100、135和170m/min，進料速率為0.16、0.2和0.24mm/rev，切削深度不變?yōu)?.2mm。參數(shù)的選擇是基于作者之前使用碳化合金工具[11]轉動硬火鋼的工作。MQL的切割液流速和氣壓分別為50ml/h和5bar。蓖麻油被用作切削液。作為對照，還進行了相同參數(shù)的干切削。

測量的響應是刀具壽命、表面粗糙度和切割力。刀具壽命標準設置為最大側翼磨損0.12mm，或刀具斷裂（災難性故障），或機加工工件的表面粗糙度超過1.6μm。使用數(shù)字顯微鏡(Zeiss，Stemi200-C型)測量工具的磨損情況。在每個預設的切割時間進行測量，直到刀具磨損達到刀具壽命標準。測量時沒有將工具從支架上移出，以避免偏差誤差。使用MitutoyoSJ-301測量表面粗糙度，設置為截止長度為0.8mm。測量了機加工表面不同部位的表面粗糙度，并在刀具壽命結束時取平均值。使用連接到數(shù)控車床的動態(tài)計(Kistler9265B，3軸)測量了切削力的三個分量。測量每個刀具的力，并在刀具壽命結束時取平均值。

3、    結果和討論

本研究中測量的干式切削加工響應（表1）與我們之前的研究趨勢相同(kurniawanetal.[11])。增加切削速度和進料量會降低刀具的使用壽命。在表面粗糙度方面，隨著切削速度和進料速度的增加，表面粗糙度略有增加。這與之前的研究不同，之前研究發(fā)現(xiàn)任何材料去除率的表面粗糙度都沒有變化。這種變化很可能是由于進料在理論上對表面韌性有直接的影響。對于切削力，切向力是所有力方向中最大的。如預期的那樣，作用力隨著切削速度和進料量的增加而增加。

3.1    刀具壽命

表1和圖1顯示了在干燥和MQL技術下的實驗中記錄的刀具壽命結果。一般來說，在低切削速度和進料速率（100m/min，0.16mm/升）下刀具壽命最長，在高切削速度和高進料速率（170m/min，0.24mm/升）下刀具壽命最短。在刀具壽命方面，當使用MQL時，切削速度和進料的增加降低了刀具壽命。與預期的一樣，干旱和洪水砍伐的影響趨勢相似。

表1。干式切割和MQL在刀具壽命、表面粗糙度和切割力方面的結果

與干式切削相比，該技術能夠提高涂層硬質合金刀具的刀具壽命。這是由于切割區(qū)域產(chǎn)生的熱量減少，以及工件和刀具尖端之間的摩擦減少。使用MQL的刀具壽命比干式加工下的刀具壽命增加兩倍。在干切、水切和MQL條件下，將硬化鋼(AISI4340)轉速為46HRC，速度高達120m/min的效果與[10]的報告相似。他們的結果表明，與其他條件相比，MQL在更長的刀具壽命和更低的切割溫度和力方面具有更好的性能。認為植物油切削液油的潤滑作用實現(xiàn)了這一改進干切。采用MQL技術的切削液能夠深入工具-芯片和工具-工件界面，支持涂層硬質合金刀具，在高切削條件下表現(xiàn)更好，提高刀具壽命。然而，在MQL下的加工似乎受到切割溫度的限制，因為在高速下，油霧的影響會蒸發(fā)。

圖1。干切削和MQL條件下刀具壽命與切割速度和進料速率

3.2    表面光潔度

精確量化表面完整性的典型技術之一是表面光潔度測量，它被認為是轉動零件表面質量的一個指標?？扑固丶{[13]報告說，雨刷器的幾何形狀提供了復制進給值的能力，并實現(xiàn)了與傳統(tǒng)工具相同的表面光潔度。此外，與傳統(tǒng)刀具相比，雨刮器刀具在恒定進給條件下改進了表面。Shaw[14]建議，精潔加工中的表面粗糙度值預計在0.75-1.5?m范圍內。

圖2顯示了不同切削速度和進料速率下干切削和MQL表面粗糙度的比較。與干燥技術相比，MQL技術在提高表面粗糙度方面略有改善，這與之前報道的[15]技術的結果相似。這種輕微的改善可能是由于切削液的冷卻功能的影響較小，而作為潤滑劑的影響比作為冷卻劑的作用更大。Ra值在高速下增加和飼料干燥和潤滑劑，表面粗糙度的提高可以歸因于材料轉移到機加工表面[7]的減少。然而，也有報道稱，應用MQL對使用涂層碳化物[25]旋轉不銹鋼時的表面粗糙度沒有顯著改善。

我們可以注意到，從結果來看，MQL提供的表面粗糙度略低于干切割。這可能是由于切割區(qū)的溫度降低所致。在低切削速度和低進料速率（100m/min，0.16mm/rev）下，獲得了較低的表面粗糙度。在刀具壽命結束時，表面粗糙度值往往較高，在高切削速度和高進料率（170m/min、0.24mm/rev）時粗糙值更高。

圖2。干切削和MQL條件下表面粗糙度與切削速度和進料速率

3.3    切割力

在切削過程中產(chǎn)生的三個力作用于刀具，切向力稱為主力和最大力，作用于切削面上的耙面。另外兩個數(shù)值力是最小的力，即抵抗工具進給的進給力，以及在z軸方向[17]上推動工具遠離工件的徑向力。如表1所示，在高切割速度和進料時，力增加得更多。這與芯片截面的增加，進料的增加和芯片去除量的增加有關，使芯片形成[20]需要更多的力。在這種情況下，切割力應增加。

圖3顯示了干式切削和MQL技術在切削力方面的比較。結果表明，與干式切削相比，在MQL技術條件下產(chǎn)生的切削力略有降低。從結果中可以看出，由于干切削和MQL的災難性故障，在高速和高進料速率(170m/mim，0.24mm/rev)下獲得了更高的力。干切的進給力范圍為58-65N，MQL為54N-61.5N，切向力為216.4N-305N，MQL為210N-300N，徑向力為153N-176N，MQL為143N-168N。同時，切向力比徑向力高1.47-1.79，比進給力高3.9-4.8。這些結果是由于工具和工件之間以及工具和芯片之間產(chǎn)生的高溫的影響。Krishna等人[24]報道，當用硬質合金工具轉動AISI1040鋼時，隨著干燥時切割速度的增加，使用潤滑油的冷卻劑略有增加，切割力基本保持不變。Panzera等人，[22]報道，隨著進料和切割深度的增加，切割力略有降低。在干濕硬轉彎條件下，進料速率對切削力的影響較小，而切削速度對車削時的切削力的影響很小。與干燥相比，切削液對順利加工具有顯著效果。當?shù)毒呷匀恍迈r時，所產(chǎn)生的切割力較低，而且往往隨著刀具的磨損而較高。

圖3。干切削和MQL條件下的切割力與切割速度和進料速率的關系

4、    結論

硬化的AISI420不銹鋼(硬度為46-48HRC)在不同的切割速度和進料下使用雨刮涂層碳質物刀具進行干燥和MQL技術的加工。結果表明，在車削過程中使用少量50ml/h的潤滑劑比干切削能產(chǎn)生更好的效果，特別是在較長的刀具壽命方面。表面粗糙度和切削力略有增強，這是由于切削區(qū)區(qū)域的切削溫度的降低。MQL可以是一種很好的技術，使用涂層硬質合金切割工具，高達170m/min和0.24mm/rev。然而，在MQL下的加工似乎受到切割溫度的限制，因為在高速下，油霧的影響會蒸發(fā)。