在所有的機(jī)械加工過(guò)程中，刀具磨損是一種自然現(xiàn)象，它會(huì)導(dǎo)致刀具故障。對(duì)加工生產(chǎn)率的需求不斷增長(zhǎng)，需要使用高切割速度和進(jìn)料率，這種加工本身產(chǎn)生高切割溫度，不僅降低了刀具壽命，而且損害了產(chǎn)品質(zhì)量。金屬切削液由于其潤(rùn)滑、冷卻和鐵屑沖洗功能，改變了機(jī)加工操作的性能，但切削液的使用在員工健康和環(huán)境污染方面都變得更加有問(wèn)題。切割液的使用通常會(huì)帶來(lái)工具的經(jīng)濟(jì)性，并且更容易保持緊密的公差和保持工件表面性能而不損壞。由于這些問(wèn)題，人們正在尋找一些替代方案，以盡量減少甚至避免在機(jī)械加工操作中使用切削流體。其中一些替代方案是干加工和微量潤(rùn)滑(MQL)。
本文研究了MQL對(duì)無(wú)涂層碳化合金組合AISI-4340鋼車(chē)削溫度、刀具磨損、表面粗糙度和尺寸偏差的影響的實(shí)驗(yàn)研究。令人鼓舞的結(jié)果包括，MQL主要通過(guò)降低刀具切割區(qū)溫度和刀具相互作用，顯著降低了刀具磨損率、尺寸不準(zhǔn)確和表面粗糙度。
介紹
高產(chǎn)量鋼加工本身會(huì)產(chǎn)生較高的切割區(qū)溫度。這種高溫會(huì)導(dǎo)致刀具的尺寸偏差和過(guò)早失效。除了快速氧化和腐蝕[1,2]外，它還會(huì)誘導(dǎo)拉伸殘余應(yīng)力和表面和內(nèi)表面微裂紋，從而損害產(chǎn)品的表面完整性。在高速加工中，傳統(tǒng)的切削流體應(yīng)用不能穿透切屑-刀具界面，因此不能有效地去除熱量。在切削液中添加極壓添加劑并不能確保冷卻劑在切屑-刀具界面的滲透，以提供潤(rùn)滑和冷卻。但高壓可溶性油噴流應(yīng)用于切屑-刀具界面時(shí)，可在一定程度上降低切割溫度，并在一定程度上提高刀具壽命。
然而，由于切削流體所造成的一些負(fù)面影響，它們的優(yōu)點(diǎn)最近受到了質(zhì)疑。如果處理不當(dāng)，切割液可能會(huì)破壞土壤和水資源，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重?fù)p失。因此，切削液的處理和處置必須遵守嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)規(guī)則。在車(chē)間上，機(jī)器操作人員可能會(huì)受到切削液體的影響，如皮膚和呼吸問(wèn)題。
對(duì)于這些公司來(lái)說(shuō)，與切削流體相關(guān)的成本占加工成本的很大一部分，與切割液體相關(guān)的成本往往高于與切割工具相關(guān)的成本。因此，如果可能的話(huà)，取消使用切削液可能是一個(gè)重大的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)因素。考慮到使用切削液的高成本以及執(zhí)行更嚴(yán)格的環(huán)境法時(shí)預(yù)計(jì)成本的上升，選擇似乎是顯而易見(jiàn)的。因此，一些替代方案已被尋求，以盡量減少甚至避免在機(jī)加工操作中使用切削液。其中的某些替代方案是干加工和最低量潤(rùn)滑(MQL)。
干式加工現(xiàn)在是非常有趣的，實(shí)際上，在環(huán)保制造領(lǐng)域取得了成功。然而，在現(xiàn)實(shí)中，當(dāng)需要更高的加工效率、更好的表面光潔度質(zhì)量和更嚴(yán)格的切割條件時(shí)，它們有時(shí)效果較低。對(duì)于這些情況，使用微量潤(rùn)滑進(jìn)行半干式加工成為一個(gè)強(qiáng)大的工具，并在許多實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。微量潤(rùn)滑(MQL)是指使用極少量潤(rùn)滑劑，通常為5至200毫升/小時(shí)，比切削液冷卻條件下常用的量少三到四個(gè)數(shù)量級(jí)。微量潤(rùn)滑的概念，有時(shí)被稱(chēng)為近干式或準(zhǔn)干式加工，自提出即作為解決工廠車(chē)間空氣切割流體顆粒相關(guān)的環(huán)境侵入和職業(yè)危害問(wèn)題的一種方法。切削液的最小化還可以通過(guò)節(jié)省潤(rùn)滑油成本和工件/工具/機(jī)器清洗周期時(shí)間來(lái)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益。
近年來(lái)，干式加工和半干式加工取得了重大進(jìn)展，特別是微量潤(rùn)滑(MQL)加工因其環(huán)保特性而被公認(rèn)為一種成功的半干加工應(yīng)用，該技術(shù)取得了一些良好的效果。盧格謝埃德等人將該技術(shù)應(yīng)用于灰鑄鐵和鋁合金的再加工過(guò)程中，并得出結(jié)論，與完全干燥的過(guò)程相比，它減少了刀具的磨損，從而提高了孔的表面質(zhì)量。Dhar等人還在中碳鋼的車(chē)削過(guò)程中使用了該技術(shù)，并得出結(jié)論，空氣和合成潤(rùn)滑劑的混合物證明比可溶性切削液應(yīng)用更好。
鋁硅合金的鉆孔由于工件材料的高延性而不可能進(jìn)行干切割的過(guò)程之一。沒(méi)有冷卻和潤(rùn)滑，切屑粘在工具上，并在很短的切割時(shí)間內(nèi)打破它。因此，在這個(gè)過(guò)程中，一個(gè)很好的替代方法是使用MQL微量潤(rùn)滑技術(shù)。
文獻(xiàn)回顧表明，微量潤(rùn)滑為機(jī)械加工提供了幾個(gè)好處。本工作的主要目的是實(shí)驗(yàn)研究微量潤(rùn)滑(MQL)對(duì)無(wú)涂層碳化合金插入件（SNMM120408）車(chē)削AISI-4340鋼的切削溫度、刀具磨損、表面粗糙度和尺寸偏差的作用，并將MQL與干濕加工的有效性進(jìn)行比較。
試驗(yàn)研究
在強(qiáng)大的剛性車(chē)床（美國(guó)萊曼機(jī)械和微量潤(rùn)滑(MQL)條件下，對(duì)直徑125mm、760mm長(zhǎng)的AISI-4340鋼棒進(jìn)行了試驗(yàn)。研究了該工件材料的可加工性特性，主要包括刀具溫度、切割力、刀具磨損、表面粗糙度和尺寸偏差等，從而研究了MQL的作用。實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)表1。根據(jù)刀具制造商的建議和工業(yè)實(shí)踐，選擇了切割速度(Vc)和輸送速度的進(jìn)料率(So)的范圍。切割深度不顯著，保持不變。
表1。實(shí)驗(yàn)條件
機(jī)床
| Lathe Machine (Lehman Machine Company, USA) 15 hp
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試樣
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材料
| AISI-4340 steel (C=0.36%, Cr=1.45%, Mn=0.92%, Mo=0.52%, Ni=2.87%,V=0.20%)
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尺寸
| φ125 X 760 mm
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切割工具（插入件）
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切割插入件
| Carbide, SNMM 120408 (P-30 ISO specification), Drillco
碳化物，SNMM120408（P-30ISO規(guī)范），鉆頭
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刀夾具
| PSBNR 2525M12(ISO specification), Drillco
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刀具刃口幾何形狀
| -6, -6, 6, 6, 15, 75, 0.8 (mm)
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工藝參數(shù)
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切割速度，Vc
| 63, 80, 95, 110 and 128 m/min
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進(jìn)給率， So
| 0.10, 0.13, 0.16 and 0.20 mm/rev
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切割深度，t
| 1.0 mm and 1.5 mm
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MQL供應(yīng)
| 空氣：7.0巴，潤(rùn)滑劑：60ml/h（通過(guò)外部噴嘴）
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環(huán)境
| 干式、濕式（切削液冷卻）和微量潤(rùn)滑(MQL)
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MQL需要以高壓的方式供應(yīng)，并通過(guò)切割區(qū)的噴嘴進(jìn)行高速撞擊。考慮到目前研究工作所需的條件，以及在相當(dāng)長(zhǎng)的切割下恒壓下不間斷供應(yīng)MQL，設(shè)計(jì)、制造和使用了MQL輸送系統(tǒng)。MQL設(shè)置的示意圖如圖所示。1.薄而高速的MQL流沿著插入物的切割邊緣投影，如圖所示。1、使冷卻液盡可能接近芯片工具和工作工具界面。實(shí)驗(yàn)裝置的攝影視圖如圖所示。2.MQL噴流主要用于瞄準(zhǔn)耙子和側(cè)翼表面，并保護(hù)輔助側(cè)翼，以實(shí)現(xiàn)更好的尺寸精度
圖1。MQL單元的示意圖。
圖2。實(shí)驗(yàn)裝置的攝影視圖。
MQL預(yù)計(jì)主要通過(guò)降低切割溫度來(lái)提供一些有利的效果。簡(jiǎn)單而可靠的工具-工作熱電偶技術(shù)[24]已被用于測(cè)量在干燥、濕和MQL條件下未涂層硬化物插入物在不同Vc-So組合下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的平均切割溫度。
用給定工具加工任何工作材料的有效性、效率和整體經(jīng)濟(jì)在很大程度上只取決于推薦條件下的可加工特性。加工能力通常通過(guò)(i)影響產(chǎn)品質(zhì)量和切割刀具性能的切割溫度、(ii)切屑形成模式、(iii)影響功率要求的切割力大小、尺寸精度和振動(dòng)、(iv)表面處理和(v)刀具磨損和刀具壽命來(lái)判斷。本文考慮了切削溫度、刀具磨損度、表面粗糙度和尺寸精度，研究了微量潤(rùn)滑的作用。
定期取出切割插入件，以研究所有試驗(yàn)中主側(cè)翼和輔助側(cè)翼的磨損模式和程度。采用冶金顯微鏡(CarlZesis，351396，德國(guó))測(cè)量1μm的平均寬度、VB和輔助側(cè)磨損、VS。每次切割后的加工表面的表面粗糙度由激光沖浪(Surtronic3+粗糙度檢查器，泰勒霍布森，英國(guó))測(cè)量，采樣長(zhǎng)度為0.8mm。切割前后的作業(yè)直徑偏差用精度刻度儀測(cè)量，該測(cè)量?jī)x平行于作業(yè)軸移動(dòng)。在全切結(jié)束時(shí)，在掃描電子顯微鏡(日立，S-2600N，掃描電子顯微鏡，日本)下檢查切割插入物。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論
切割區(qū)加工溫度是可加工性的重要指標(biāo)，需要盡可能的控制。MQL預(yù)計(jì)主要通過(guò)降低切割溫度來(lái)提供一些有利的效果。干燥和MQL條件下MQL對(duì)平均刀具界面溫度(θavg)的影響已顯示如圖所示。3.從圖中可以明顯看出。3在低Vc加工時(shí)，當(dāng)切屑-刀具接觸部分彈性，切屑離開(kāi)刀具時(shí)，通過(guò)毛細(xì)管效應(yīng)將MQL少量拖入該彈性接觸區(qū)，可能實(shí)現(xiàn)更有效的冷卻。隨著Vc的增加，芯片與工具耙表面形成完全的塑料或整體接觸，并防止任何流體進(jìn)入熱芯片-工具界面。MQL的冷卻效果隨著進(jìn)料的減少也有一定程度的改善，特別是在較低的切割速度下。有可能的是，較薄的芯片，特別是在較低的芯片速度下，會(huì)被來(lái)自相反方向的高壓MQL噴射流略微向上推進(jìn)，并使其能夠更接近熱的芯片工具接觸區(qū)，從而更有效地去除熱量。此外，在高速下，冷卻劑可能沒(méi)有足夠的時(shí)間來(lái)去除在切割區(qū)積累的熱量，從而導(dǎo)致在高切割速度的MQL條件下的溫度降低減少。然而，我們觀察到，MQL噴流目前的應(yīng)用方式，根據(jù)工藝參數(shù)Vc等的水平，平均切割溫度降低約5至10%。即使切割溫度如此明顯地降低，也可能對(duì)其他機(jī)械加工指標(biāo)產(chǎn)生一些有利的影響。
圖3。在干濕和MQL條件下，不同So條件下芯片-刀具平均界面溫度與Vc的變化。
在常規(guī)加工中，特別是在車(chē)削等連續(xù)切屑過(guò)程中，通常因磨損、粘附、擴(kuò)散、化學(xué)侵蝕、電作用等逐漸磨損而失效。根據(jù)工具工作材料和加工條件。工具磨損最初以相對(duì)較快的速度開(kāi)始，這是由于磨損和微切屑造成的斷裂磨損。
刀具在強(qiáng)烈的壓力和溫度以及/或動(dòng)態(tài)載荷造成的機(jī)械加工條件下的機(jī)械斷裂和塑性變形，特別是當(dāng)?shù)毒卟牧先狈?qiáng)度、熱硬度和斷裂韌性時(shí)。然而，在目前對(duì)工具和工作材料以及機(jī)械加工條件的研究中，工具的失效模式大多是逐漸磨損的。用碳化合金插入物轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)通常觀察到的刀具磨損的幾何模式如圖所示。在上述磨損中，主要的側(cè)翼磨損(VB)是最重要的，因?yàn)樗黾恿饲邢髁拖嚓P(guān)的問(wèn)題。硬質(zhì)合金刀具的壽命以實(shí)際加工時(shí)間計(jì)算，其主側(cè)磨損的平均值(VB)達(dá)到極限，如0.3mm。因此，應(yīng)嘗試以所有可能的方式減少側(cè)翼磨損(VB)的增長(zhǎng)率，而不在MRR中做出讓步。
圖4。轉(zhuǎn)向工具的磨損情況的幾何形狀。
圖5。在干、濕和MQL條件下，平均主側(cè)翼磨損、VB隨加工時(shí)間的增長(zhǎng)。
圖5顯示了在干、濕（常規(guī)冷卻與1：20切削油）和MQL條件下，主切緣上的平均側(cè)翼磨損、VB的增長(zhǎng)。在所有環(huán)境下觀察到的確定刀具壽命屆滿(mǎn)的主要參數(shù)VB的逐漸增長(zhǎng)，表明加工穩(wěn)定，沒(méi)有切割、壓裂等刀具過(guò)早失效。建立了對(duì)工藝參數(shù)領(lǐng)域的適當(dāng)選擇。圖5也清楚地表明，側(cè)翼磨損，VB特別是其生長(zhǎng)速度下降了MQL。觀察到的VB降低背后的原因可以合理地歸因于MQL降低了側(cè)翼溫度，這通過(guò)保持工具硬度以及對(duì)溫度高度敏感的粘附和擴(kuò)散磨損類(lèi)型，有助于減少磨損。由于側(cè)翼磨損增長(zhǎng)率的降低，如果適當(dāng)應(yīng)用MQL，工具的壽命將會(huì)高得多。
另一個(gè)重要的工具磨損標(biāo)準(zhǔn)是平均輔助側(cè)翼磨損，VS，它控制著工作的表面光潔度和尺寸精度。不規(guī)則和較高的輔助側(cè)翼磨損會(huì)導(dǎo)致表面光面度差和尺寸不準(zhǔn)確(Klocke和艾森布拉特，1997年)。在干、濕、MQL條件下，鋼的平均輔助側(cè)翼磨損、VS隨加工時(shí)間的增長(zhǎng)如圖所示。VS的增長(zhǎng)性質(zhì)與VB的增長(zhǎng)性質(zhì)預(yù)期一致。MQL的應(yīng)用降低了VS，有望提供更好的表面光潔度和尺寸精度。
圖6。在干、濕和MQL條件下，平均輔助側(cè)翼磨損隨時(shí)間的增長(zhǎng)。
在干燥、濕和MQL條件下，磨損的插入件使用加工約45分鐘后的SEM視圖如圖所示。7.在所有的環(huán)境下，兩側(cè)都出現(xiàn)了擦傷的劃痕。對(duì)隕石坑的檢查發(fā)現(xiàn)，芯片的背面在工具的耙子表面留下了很深的劃痕。也有一些跡象表明，粘合劑磨損的插入物。在干濕加工下出現(xiàn)了一些塑性變形和微屑。在干燥和潮濕的條件下，在插入物處均有嚴(yán)重的凹槽磨損和缺口磨損。主切緣上的缺口磨損主要是由于氧化和化學(xué)磨損，其中熱-機(jī)械應(yīng)力梯度也很高。輔助切緣的缺口磨損主要是由于其與工作面未切割的山脊相互作用，其磨損機(jī)理具有研磨性。MQL有效的溫度控制幾乎降低了主前沿凹槽磨損的增長(zhǎng)。它還減少了輔助缺口的磨損。進(jìn)一步，圖清楚地顯示了MQL條件下平均側(cè)磨損、平均輔助側(cè)磨損和彈口磨損的降低。
表面光潔度也是可加工性或可磨性的重要指標(biāo)，因?yàn)橐鸭庸?地面部件的性能和使用壽命往往受到其表面光潔度、殘余應(yīng)力的性質(zhì)和程度以及表面或表面下微裂紋的影響，特別是當(dāng)該部件在動(dòng)態(tài)載荷下或與其他配合部件偶聯(lián)使用時(shí)。一般來(lái)說(shuō)，良好的表面光潔度，如果必要，可以通過(guò)研磨等精磨過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)，但有時(shí)留給加工。即使最終通過(guò)磨削完成，在研磨加工之前也需要以盡可能低的表面粗糙度進(jìn)行加工，以方便和節(jié)省磨削操作，并盡量減少初始表面缺陷。
在車(chē)削等連續(xù)加工過(guò)程中，特別是球性金屬，表面粗糙度發(fā)展的主要原因是(i)加工表面上刀具尖端留下的常規(guī)進(jìn)料痕跡(ii)加工系統(tǒng)中切削、壓裂和磨損(iii)造成的不規(guī)則變形以及(iv)堆積的邊緣形成。
圖8顯示了在干燥和MQL環(huán)境下，表面粗糙度隨加工時(shí)間的變化。由于MQL降低了輔助側(cè)翼的平均磨損和輔助切邊的缺口磨損，表面粗糙度在MQL條件下的粗糙度也非常緩慢。從圖中就可以看出。圖8在干加工下，由于刀具尖端的溫度和應(yīng)力更大，表面粗糙度增長(zhǎng)得相當(dāng)快，MQL似乎能有效地降低表面粗糙度。然而，很明顯，MQL根據(jù)工作工具材料提高表面光潔度，主要是通過(guò)磨削和堆積邊緣形成來(lái)控制輔助邊緣的惡化。
圖7。在(a)干燥、(b)濕和(c)MQL條件下加工45分鐘后磨損插入件的掃描電鏡視圖
圖8。表面粗糙度隨干、濕和MQL條件下的加工進(jìn)度。
圖9顯示了MQL對(duì)旋轉(zhuǎn)作業(yè)尺寸精度的影響。MQL在控制隨加工時(shí)間增加的成品直徑的增加方面提供了更好的尺寸精度。成品加工直徑一般偏離其期望值，即沿加工長(zhǎng)度主要是由于有效切割深度的變化，以及加工后冷卻時(shí)作業(yè)的熱膨脹。因此，如果機(jī)床-機(jī)具-工作系統(tǒng)是剛性的，那么直徑的變化將主要受熱量和切割溫度的控制。隨著溫度的升高，輔助側(cè)翼磨損和作業(yè)熱膨脹的生長(zhǎng)速率也會(huì)增加。MQL帶走大部分熱量，降低溫度，從而減少尺寸偏差。
圖9。在干燥、濕和MQL條件下，一次轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)后觀察到的尺寸偏差。
結(jié)論
根據(jù)本實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：
- MQL加工的切削性能優(yōu)于傳統(tǒng)的干式加工，因?yàn)镸QL的優(yōu)點(diǎn)主要是降低了切削溫度，提高了切削與刀具的相互作用，保持了切削邊緣的銳度。
- 與干濕加工鋼材相比，MQL射流減少了刀具磨損，提高了刀具壽命和更好的表面光潔度。
- 表面光面度和尺寸精度的提高主要是由于應(yīng)用MQL減少了刀具尖端的磨損和損傷。這種減少刀具磨損可以提高刀具壽命或提高生產(chǎn)力，允許更高的切割速度和進(jìn)料。