摘要

在所有的机械加工过程中，刀具磨损是一种自然现象，它会导致刀具故障。对加工生产率的需求不断增长，需要使用高切割速度和进料率，这种加工本身产生高切割温度，不仅降低了刀具寿命，而且损害了产品质量。金属切削液由于其润滑、冷却和铁屑冲洗功能，改变了机加工操作的性能，但切削液的使用在员工健康和环境污染方面都变得更加有问题。切割液的使用通常会带来工具的经济性，并且更容易保持紧密的公差和保持工件表面性能而不损坏。由于这些问题，人们正在寻找一些替代方案，以尽量减少甚至避免在机械加工操作中使用切削流体。其中一些替代方案是干加工和微量润滑(MQL)。

本文研究了MQL对无涂层碳化合金组合AISI-4340钢车削温度、刀具磨损、表面粗糙度和尺寸偏差的影响的实验研究。令人鼓舞的结果包括，MQL主要通过降低刀具切割区温度和刀具相互作用，显著降低了刀具磨损率、尺寸不准确和表面粗糙度。

1.介绍

高产量钢加工本身会产生较高的切割区温度。这种高温会导致刀具的尺寸偏差和过早失效。除了快速氧化和腐蚀[1,2]外，它还会诱导拉伸残余应力和表面和内表面微裂纹，从而损害产品的表面完整性。在高速加工中，传统的切削流体应用不能穿透切屑-刀具界面，因此不能有效地去除热量。在切削液中添加极压添加剂并不能确保冷却剂在切屑-刀具界面的渗透，以提供润滑和冷却。但高压可溶性油喷流应用于切屑-刀具界面时，可在一定程度上降低切割温度，并在一定程度上提高刀具寿命。

然而，由于切削流体所造成的一些负面影响，它们的优点最近受到了质疑。如果处理不当，切割液可能会破坏土壤和水资源，对环境造成严重损失。因此，切削液的处理和处置必须遵守严格的环境保护规则。在车间上，机器操作人员可能会受到切削液体的影响，如皮肤和呼吸问题。

对于这些公司来说，与切削流体相关的成本占加工成本的很大一部分，与切割液体相关的成本往往高于与切割工具相关的成本。因此，如果可能的话，取消使用切削液可能是一个重大的经济激励因素。考虑到使用切削液的高成本以及执行更严格的环境法时预计成本的上升，选择似乎是显而易见的。因此，一些替代方案已被寻求，以尽量减少甚至避免在机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润滑(MQL)。

干式加工现在是非常有趣的，实际上，在环保制造领域取得了成功。然而，在现实中，当需要更高的加工效率、更好的表面光洁度质量和更严格的切割条件时，它们有时效果较低。对于这些情况，使用微量润滑进行半干式加工成为一个强大的工具，并在许多实际应用中发挥了重要作用。微量润滑(MQL)是指使用极少量润滑剂，通常为5至200毫升/小时，比切削液冷却条件下常用的量少三到四个数量级。微量润滑的概念，有时被称为近干式或准干式加工，自提出即作为解决工厂车间空气切割流体颗粒相关的环境侵入和职业危害问题的一种方法。切削液的最小化还可以通过节省润滑油成本和工件/工具/机器清洗周期时间来带来经济效益。

近年来，干式加工和半干式加工取得了重大进展，特别是微量润滑(MQL)加工因其环保特性而被公认为一种成功的半干加工应用，该技术取得了一些良好的效果。卢格谢埃德等人将该技术应用于灰铸铁和铝合金的再加工过程中，并得出结论，与完全干燥的过程相比，它减少了刀具的磨损，从而提高了孔的表面质量。Dhar等人还在中碳钢的车削过程中使用了该技术，并得出结论，空气和合成润滑剂的混合物证明比可溶性切削液应用更好。

铝硅合金的钻孔由于工件材料的高延性而不可能进行干切割的过程之一。没有冷却和润滑，切屑粘在工具上，并在很短的切割时间内打破它。因此，在这个过程中，一个很好的替代方法是使用MQL微量润滑技术。

文献回顾表明，微量润滑为机械加工提供了几个好处。本工作的主要目的是实验研究微量润滑(MQL)对无涂层碳化合金插入件（SNMM120408）车削AISI-4340钢的切削温度、刀具磨损、表面粗糙度和尺寸偏差的作用，并将MQL与干湿加工的有效性进行比较。

2.试验研究

在强大的刚性车床（美国莱曼机械和微量润滑(MQL)条件下，对直径125mm、760mm长的AISI-4340钢棒进行了试验。研究了该工件材料的可加工性特性，主要包括刀具温度、切割力、刀具磨损、表面粗糙度和尺寸偏差等，从而研究了MQL的作用。实验条件见表1。根据刀具制造商的建议和工业实践，选择了切割速度(Vc)和输送速度的进料率(So)的范围。切割深度不显著，保持不变。

表1。实验条件

MQL需要以高压的方式供应，并通过切割区的喷嘴进行高速撞击。考虑到目前研究工作所需的条件，以及在相当长的切割下恒压下不间断供应MQL，设计、制造和使用了MQL输送系统。MQL设置的示意图如图所示。1.薄而高速的MQL流沿着插入物的切割边缘投影，如图所示。1、使冷却液尽可能接近芯片工具和工作工具界面。实验装置的摄影视图如图所示。2.MQL喷流主要用于瞄准耙子和侧翼表面，并保护辅助侧翼，以实现更好的尺寸精度

图1。MQL单元的示意图。

图2。实验装置的摄影视图。

MQL预计主要通过降低切割温度来提供一些有利的效果。简单而可靠的工具-工作热电偶技术[24]已被用于测量在干燥、湿和MQL条件下未涂层硬化物插入物在不同Vc-So组合下转动时的平均切割温度。

用给定工具加工任何工作材料的有效性、效率和整体经济在很大程度上只取决于推荐条件下的可加工特性。加工能力通常通过(i)影响产品质量和切割刀具性能的切割温度、(ii)切屑形成模式、(iii)影响功率要求的切割力大小、尺寸精度和振动、(iv)表面处理和(v)刀具磨损和刀具寿命来判断。本文考虑了切削温度、刀具磨损度、表面粗糙度和尺寸精度，研究了微量润滑的作用。

定期取出切割插入件，以研究所有试验中主侧翼和辅助侧翼的磨损模式和程度。采用冶金显微镜(CarlZesis，351396，德国)测量1µm的平均宽度、VB和辅助侧磨损、VS。每次切割后的加工表面的表面粗糙度由激光冲浪(Surtronic3+粗糙度检查器，泰勒霍布森，英国)测量，采样长度为0.8mm。切割前后的作业直径偏差用精度刻度仪测量，该测量仪平行于作业轴移动。在全切结束时，在扫描电子显微镜(日立，S-2600N，扫描电子显微镜，日本)下检查切割插入物。

3.实验结果及讨论

切割区加工温度是可加工性的重要指标，需要尽可能的控制。MQL预计主要通过降低切割温度来提供一些有利的效果。干燥和MQL条件下MQL对平均刀具界面温度(θavg)的影响已显示如图所示。3.从图中可以明显看出。3在低Vc加工时，当切屑-刀具接触部分弹性，切屑离开刀具时，通过毛细管效应将MQL少量拖入该弹性接触区，可能实现更有效的冷却。随着Vc的增加，芯片与工具耙表面形成完全的塑料或整体接触，并防止任何流体进入热芯片-工具界面。MQL的冷却效果随着进料的减少也有一定程度的改善，特别是在较低的切割速度下。有可能的是，较薄的芯片，特别是在较低的芯片速度下，会被来自相反方向的高压MQL喷射流略微向上推进，并使其能够更接近热的芯片工具接触区，从而更有效地去除热量。此外，在高速下，冷却剂可能没有足够的时间来去除在切割区积累的热量，从而导致在高切割速度的MQL条件下的温度降低减少。然而，我们观察到，MQL喷流目前的应用方式，根据工艺参数Vc等的水平，平均切割温度降低约5至10%。即使切割温度如此明显地降低，也可能对其他机械加工指标产生一些有利的影响。

图3。在干湿和MQL条件下，不同So条件下芯片-刀具平均界面温度与Vc的变化。

在常规加工中，特别是在车削等连续切屑过程中，通常因磨损、粘附、扩散、化学侵蚀、电作用等逐渐磨损而失效。根据工具工作材料和加工条件。工具磨损最初以相对较快的速度开始，这是由于磨损和微切屑造成的断裂磨损。

刀具在强烈的压力和温度以及/或动态载荷造成的机械加工条件下的机械断裂和塑性变形，特别是当刀具材料缺乏强度、热硬度和断裂韧性时。然而，在目前对工具和工作材料以及机械加工条件的研究中，工具的失效模式大多是逐渐磨损的。用碳化合金插入物转动时通常观察到的刀具磨损的几何模式如图所示。在上述磨损中，主要的侧翼磨损(VB)是最重要的，因为它增加了切削力和相关的问题。硬质合金刀具的寿命以实际加工时间计算，其主侧磨损的平均值(VB)达到极限，如0.3mm。因此，应尝试以所有可能的方式减少侧翼磨损(VB)的增长率，而不在MRR中做出让步。

图4。转向工具的磨损情况的几何形状。

图5。在干、湿和MQL条件下，平均主侧翼磨损、VB随加工时间的增长。

图5显示了在干、湿（常规冷却与1：20切削油）和MQL条件下，主切缘上的平均侧翼磨损、VB的增长。在所有环境下观察到的确定刀具寿命届满的主要参数VB的逐渐增长，表明加工稳定，没有切割、压裂等刀具过早失效。建立了对工艺参数领域的适当选择。图5也清楚地表明，侧翼磨损，VB特别是其生长速度下降了MQL。观察到的VB降低背后的原因可以合理地归因于MQL降低了侧翼温度，这通过保持工具硬度以及对温度高度敏感的粘附和扩散磨损类型，有助于减少磨损。由于侧翼磨损增长率的降低，如果适当应用MQL，工具的寿命将会高得多。

另一个重要的工具磨损标准是平均辅助侧翼磨损，VS，它控制着工作的表面光洁度和尺寸精度。不规则和较高的辅助侧翼磨损会导致表面光面度差和尺寸不准确(Klocke和艾森布拉特，1997年)。在干、湿、MQL条件下，钢的平均辅助侧翼磨损、VS随加工时间的增长如图所示。VS的增长性质与VB的增长性质预期一致。MQL的应用降低了VS，有望提供更好的表面光洁度和尺寸精度。

图6。在干、湿和MQL条件下，平均辅助侧翼磨损随时间的增长。

在干燥、湿和MQL条件下，磨损的插入件使用加工约45分钟后的SEM视图如图所示。7.在所有的环境下，两侧都出现了擦伤的划痕。对陨石坑的检查发现，芯片的背面在工具的耙子表面留下了很深的划痕。也有一些迹象表明，粘合剂磨损的插入物。在干湿加工下出现了一些塑性变形和微屑。在干燥和潮湿的条件下，在插入物处均有严重的凹槽磨损和缺口磨损。主切缘上的缺口磨损主要是由于氧化和化学磨损，其中热-机械应力梯度也很高。辅助切缘的缺口磨损主要是由于其与工作面未切割的山脊相互作用，其磨损机理具有研磨性。MQL有效的温度控制几乎降低了主前沿凹槽磨损的增长。它还减少了辅助缺口的磨损。进一步，图清楚地显示了MQL条件下平均侧磨损、平均辅助侧磨损和弹口磨损的降低。

表面光洁度也是可加工性或可磨性的重要指标，因为已加工/地面部件的性能和使用寿命往往受到其表面光洁度、残余应力的性质和程度以及表面或表面下微裂纹的影响，特别是当该部件在动态载荷下或与其他配合部件偶联使用时。一般来说，良好的表面光洁度，如果必要，可以通过研磨等精磨过程来实现，但有时留给加工。即使最终通过磨削完成，在研磨加工之前也需要以尽可能低的表面粗糙度进行加工，以方便和节省磨削操作，并尽量减少初始表面缺陷。

在车削等连续加工过程中，特别是球性金属，表面粗糙度发展的主要原因是(i)加工表面上刀具尖端留下的常规进料痕迹(ii)加工系统中切削、压裂和磨损(iii)造成的不规则变形以及(iv)堆积的边缘形成。

图8显示了在干燥和MQL环境下，表面粗糙度随加工时间的变化。由于MQL降低了辅助侧翼的平均磨损和辅助切边的缺口磨损，表面粗糙度在MQL条件下的粗糙度也非常缓慢。从图中就可以看出。图8在干加工下，由于刀具尖端的温度和应力更大，表面粗糙度增长得相当快，MQL似乎能有效地降低表面粗糙度。然而，很明显，MQL根据工作工具材料提高表面光洁度，主要是通过磨削和堆积边缘形成来控制辅助边缘的恶化。

图7。在(a)干燥、(b)湿和(c)MQL条件下加工45分钟后磨损插入件的扫描电镜视图

图8。表面粗糙度随干、湿和MQL条件下的加工进度。

图9显示了MQL对旋转作业尺寸精度的影响。MQL在控制随加工时间增加的成品直径的增加方面提供了更好的尺寸精度。成品加工直径一般偏离其期望值，即沿加工长度主要是由于有效切割深度的变化，以及加工后冷却时作业的热膨胀。因此，如果机床-机具-工作系统是刚性的，那么直径的变化将主要受热量和切割温度的控制。随着温度的升高，辅助侧翼磨损和作业热膨胀的生长速率也会增加。MQL带走大部分热量，降低温度，从而减少尺寸偏差。

图9。在干燥、湿和MQL条件下，一次转转后观察到的尺寸偏差。

结论

根据本实验研究的结果，可以得出以下结论：

-    MQL加工的切削性能优于传统的干式加工，因为MQL的优点主要是降低了切削温度，提高了切削与刀具的相互作用，保持了切削边缘的锐度。

-    与干湿加工钢材相比，MQL射流减少了刀具磨损，提高了刀具寿命和更好的表面光洁度。

-    表面光面度和尺寸精度的提高主要是由于应用MQL减少了刀具尖端的磨损和损伤。这种减少刀具磨损可以提高刀具寿命或提高生产力，允许更高的切割速度和进料。