在所有的機械加工過程中，刀具磨損是一種自然現(xiàn)象，它會導(dǎo)致刀具故障。對加工生產(chǎn)率的需求不斷增長，需要使用高切割速度和進料率，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滑、冷卻和鐵屑沖洗功能，改變了機加工操作的性能，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題。切割液的使用通常會帶來工具的經(jīng)濟性，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。由于這些問題，人們正在尋找一些替代方案，以盡量減少甚至避免在機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滑(MQL)。
本文研究了MQL對無涂層碳化合金組合AISI-4340鋼車削溫度、刀具磨損、表面粗糙度和尺寸偏差的影響的實驗研究。令人鼓舞的結(jié)果包括，MQL主要通過降低刀具切割區(qū)溫度和刀具相互作用，顯著降低了刀具磨損率、尺寸不準確和表面粗糙度。
介紹
高產(chǎn)量鋼加工本身會產(chǎn)生較高的切割區(qū)溫度。這種高溫會導(dǎo)致刀具的尺寸偏差和過早失效。除了快速氧化和腐蝕[1,2]外，它還會誘導(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，以提供潤滑和冷卻。但高壓可溶性油噴流應(yīng)用于切屑-刀具界面時，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面影響，它們的優(yōu)點最近受到了質(zhì)疑。如果處理不當，切割液可能會破壞土壤和水資源，對環(huán)境造成嚴重損失。因此，切削液的處理和處置必須遵守嚴格的環(huán)境保護規(guī)則。在車間上，機器操作人員可能會受到切削液體的影響，如皮膚和呼吸問題。
對于這些公司來說，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，取消使用切削液可能是一個重大的經(jīng)濟激勵因素?？紤]到使用切削液的高成本以及執(zhí)行更嚴格的環(huán)境法時預(yù)計成本的上升，選擇似乎是顯而易見的。因此，一些替代方案已被尋求，以盡量減少甚至避免在機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滑(MQL)。
干式加工現(xiàn)在是非常有趣的，實際上，在環(huán)保制造領(lǐng)域取得了成功。然而，在現(xiàn)實中，當需要更高的加工效率、更好的表面光潔度質(zhì)量和更嚴格的切割條件時，它們有時效果較低。對于這些情況，使用微量潤滑進行半干式加工成為一個強大的工具，并在許多實際應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。微量潤滑(MQL)是指使用極少量潤滑劑，通常為5至200毫升/小時，比切削液冷卻條件下常用的量少三到四個數(shù)量級。微量潤滑的概念，有時被稱為近干式或準干式加工，自提出即作為解決工廠車間空氣切割流體顆粒相關(guān)的環(huán)境侵入和職業(yè)危害問題的一種方法。切削液的最小化還可以通過節(jié)省潤滑油成本和工件/工具/機器清洗周期時間來帶來經(jīng)濟效益。
近年來，干式加工和半干式加工取得了重大進展，特別是微量潤滑(MQL)加工因其環(huán)保特性而被公認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程中，并得出結(jié)論，與完全干燥的過程相比，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削過程中使用了該技術(shù)，并得出結(jié)論，空氣和合成潤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行干切割的過程之一。沒有冷卻和潤滑，切屑粘在工具上，并在很短的切割時間內(nèi)打破它。因此，在這個過程中，一個很好的替代方法是使用MQL微量潤滑技術(shù)。
文獻回顧表明，微量潤滑為機械加工提供了幾個好處。本工作的主要目的是實驗研究微量潤滑(MQL)對無涂層碳化合金插入件（SNMM120408）車削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行比較。
試驗研究
在強大的剛性車床（美國萊曼機械和微量潤滑(MQL)條件下，對直徑125mm、760mm長的AISI-4340鋼棒進行了試驗。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。實驗條件見表1。根據(jù)刀具制造商的建議和工業(yè)實踐，選擇了切割速度(Vc)和輸送速度的進料率(So)的范圍。切割深度不顯著，保持不變。
表1。實驗條件
機床
| 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，潤滑劑：60ml/h（通過外部噴嘴）
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環(huán)境
| 干式、濕式（切削液冷卻）和微量潤滑(MQL)
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MQL需要以高壓的方式供應(yīng)，并通過切割區(qū)的噴嘴進行高速撞擊?？紤]到目前研究工作所需的條件，以及在相當長的切割下恒壓下不間斷供應(yīng)MQL，設(shè)計、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。實驗裝置的攝影視圖如圖所示。2.MQL噴流主要用于瞄準耙子和側(cè)翼表面，并保護輔助側(cè)翼，以實現(xiàn)更好的尺寸精度
圖1。MQL單元的示意圖。
圖2。實驗裝置的攝影視圖。
MQL預(yù)計主要通過降低切割溫度來提供一些有利的效果。簡單而可靠的工具-工作熱電偶技術(shù)[24]已被用于測量在干燥、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)動時的平均切割溫度。
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(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、(iv)表面處理和(v)刀具磨損和刀具壽命來判斷。本文考慮了切削溫度、刀具磨損度、表面粗糙度和尺寸精度，研究了微量潤滑的作用。
定期取出切割插入件，以研究所有試驗中主側(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)測量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)測量，采樣長度為0.8mm。切割前后的作業(yè)直徑偏差用精度刻度儀測量，該測量儀平行于作業(yè)軸移動。在全切結(jié)束時，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。
實驗結(jié)果及討論
切割區(qū)加工溫度是可加工性的重要指標，需要盡可能的控制。MQL預(yù)計主要通過降低切割溫度來提供一些有利的效果。干燥和MQL條件下MQL對平均刀具界面溫度(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，當切屑-刀具接觸部分彈性，切屑離開刀具時，通過毛細管效應(yīng)將MQL少量拖入該彈性接觸區(qū)，可能實現(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，并防止任何流體進入熱芯片-工具界面。MQL的冷卻效果隨著進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，會被來自相反方向的高壓MQL噴射流略微向上推進，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，冷卻劑可能沒有足夠的時間來去除在切割區(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，也可能對其他機械加工指標產(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，特別是在車削等連續(xù)切屑過程中，通常因磨損、粘附、擴散、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較快的速度開始，這是由于磨損和微切屑造成的斷裂磨損。
刀具在強烈的壓力和溫度以及/或動態(tài)載荷造成的機械加工條件下的機械斷裂和塑性變形，特別是當?shù)毒卟牧先狈姸取嵊捕群蛿嗔秧g性時。然而，在目前對工具和工作材料以及機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)動時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，因為它增加了切削力和相關(guān)的問題。硬質(zhì)合金刀具的壽命以實際加工時間計算，其主側(cè)磨損的平均值(VB)達到極限，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隨加工時間的增長。
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。在所有環(huán)境下觀察到的確定刀具壽命屆滿的主要參數(shù)VB的逐漸增長，表明加工穩(wěn)定，沒有切割、壓裂等刀具過早失效。建立了對工藝參數(shù)領(lǐng)域的適當選擇。圖5也清楚地表明，側(cè)翼磨損，VB特別是其生長速度下降了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，這通過保持工具硬度以及對溫度高度敏感的粘附和擴散磨損類型，有助于減少磨損。由于側(cè)翼磨損增長率的降低，如果適當應(yīng)用MQL，工具的壽命將會高得多。
另一個重要的工具磨損標準是平均輔助側(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)翼磨損會導(dǎo)致表面光面度差和尺寸不準確(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隨加工時間的增長如圖所示。VS的增長性質(zhì)與VB的增長性質(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)翼磨損隨時間的增長。
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。它還減少了輔助缺口的磨損。進一步，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，因為已加工/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，特別是當該部件在動態(tài)載荷下或與其他配合部件偶聯(lián)使用時。一般來說，良好的表面光潔度，如果必要，可以通過研磨等精磨過程來實現(xiàn)，但有時留給加工。即使最終通過磨削完成，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。
在車削等連續(xù)加工過程中，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，表面粗糙度增長得相當快，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，主要是通過磨削和堆積邊緣形成來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條件下的加工進度。
圖9顯示了MQL對旋轉(zhuǎn)作業(yè)尺寸精度的影響。MQL在控制隨加工時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，即沿加工長度主要是由于有效切割深度的變化，以及加工后冷卻時作業(yè)的熱膨脹。因此，如果機床-機具-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)熱膨脹的生長速率也會增加。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)本實驗研究的結(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，因為MQL的優(yōu)點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料。