摘要

金属切削液以其润滑、冷却和铁屑冲洗功能，改变了加工操作的性能。通常，在硬化钢材料的加工中，为了低切削力和低环境影响，不应用切削流体。从刀具磨损、热量控制、加工表面质量几个方面考量，微量润滑(MQL)是一种可行的替代方案。本研究比较了硬化轴承钢材料车削时微量润滑和完全干燥的机械性能，包括切削力、刀具温度、白层深度和零件完成度的实验测量。结果表明，使用微量润滑可以降低表面粗糙度，延迟刀具侧翼磨损，降低切削温度，同时对切削力的影响也最小。

介绍

微量润滑是指使用极少量的润滑剂，通常为50至200毫升/小时的流量，比传统切削液冷却条件下常用的流量低约三到四个数量级，例如，每分钟可配送10升液体。微量润滑的概念，有时被称为“近干润滑”或“微润滑”，数十年前就已提出，作为解决工厂车间空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。

最近一项关于欧洲汽车工业生产的调查显示，冷却切削液的费用占总制造成本的近20%。与切割工具（7.5%）相比，冷却切削液的成本明显更高。因此，迫切需要减少切削液的消耗。美国职业安全与健康管理局(OSHA)允许的金属切削液气溶胶浓度的暴露水平(PEL)为5mg/m3，美国国家职业安全与健康研究所(NIOSH)允许的暴露水平为0.5mg/m3，美国汽车零部件制造业采用传统的切削液冷却和润滑的油雾水平估计在20-90mg/m3左右，这表示存在改进几个数量级的机会。

另一方面，完全干切削一直是硬化钢零件加工的一种工业惯例。这些部件通常表现出非常高的比切割能量。传统观点认为，与切削液切割相比，完全干切割，由于切割温度的升高，降低了机床所需的切割力和功率。工具寿命和零件完成情况往往取决于完全干燥的条件。因此，加工时进刀量和切割深度必须有所限制。在这些考虑下，微量润滑是一种可行的解决方案，以减小刀具磨损，而将切割力/功率保持在合理的水平，微量润滑参数需要适时调整。然而，到目前为止还没有研究在硬加工过程中使用微量润滑的可行性。

本研究是与完全干式切削相比，微量润滑条件对硬质零件车削切削性能的影响。采用基于工具工作组合方法确定理想的测试参数范围。该研究有助于了解工具和工件在硬切割条件下的行为，包括高热载荷和机械载荷。在研究中，微量润滑提供了喷雾空气和植物油。在每次测试中，测量并比较表面粗糙度、白层深度、刀具磨损、切削力和温度。以下部分描述了实验设置、程序、数据和分析。

实验设置及参数

图1显示了乔治亚理工学院倾斜床水平车床（HardingeT42SP）上的微量润滑装置的使用情况。使用的冷却剂是甘油三酯和丙二醇酯溶液（triglyceride and propylene glycol ester solution），喷雾压力20psi(帕），流量50ml/小时，工件材料为高碳钢筋硬化至62至64RHC，刀具为低含量CBN刀具(KennametalKD5625)，耙角-6度，倒角长度0.12mm，角半径0.03mm，机头半径0.8mm。

图1安装在水平车床（左侧）上的微量润滑装置。干式加工（中图）。微量润滑加工（右图）。

在加工过程中，用工具柱测力计测量切割力，如图1所示。如图2所示的是使用安装在刀具插入垫片下的k型热电偶来测量温度。该系统实际上测量垫片下尖端垫片和垫片之间的温度。热电偶位置的温度可通过推断成像方法测量的温度(Tc)有关。

其中k值8是衰减因子，δ是一个通常观察到的约为4秒的时间延迟。

图2刀具垫片热电偶切割温度测量

结果

图3显示了切割力相对于进刀量而增加。然而，使用微量润滑并不会以任何明显的方式影响切割力。因此，材料的热软化似乎不会发生在如此少量的流体中。图4给出了不同进刀量对应的刀具垫片温度上升。温升定义为加工第一秒钟中温度的变化。可以看到，使用微量润滑，该温度下降了5到10%。如图1所示，通过比较干燥加工和微量润滑加工，也可以定性地评价这种效果。观察了微量润滑的应用，以减轻切屑上的高温。

所得到的表面质量如图5所示。切割深度0.012英寸，进刀量0.006英寸/转时，铁屑形成光滑，无侧流，进刀量标记清晰可见。微量润滑的效果是，在全新刀具和给定的切割条件下，可将Ra降低约50%。然而，在测试其他进刀量条件时相同量的改善并没有观察到。一般来说，在更高进给和更深切割时微量润滑的效果更明显。

对工具侧翼的某些磨损也进行了测试。这些磨损在机械加工过程中自然地发展。测试的目的是评估刀具磨损与微量润滑性能的影响，并评估在微量润滑下刀具的性能。图6显示了在工具侧翼磨损的影响下，在干燥和微量润滑条件下的切割力。需要注意的是，材料的去除率相对较高，而所有进给、切向和推力方向的切削力的减少都是由于弹坑磨损的存在。在这种情况下，使用微量润滑并不会导致明显的切削力差异。

图3不同进给条件下的切割力。切割速度=450sfpm，切割深度=0.012英寸。

图4：不同进给条件下的温度速率。切割速度=450sfpm，切割深度=0.012英寸。

图5所生成的工件表面剖面图，进给=为0.006rev/升，切割速度=为450sfpm，切割深度=为0.012英寸。左侧为干式切削，右侧为微量润滑。

图6 切割力与最大侧翼磨损的关系，切割速度=700sfpm，进给=0.008in/rev，切割深度=0.01in。

用磨损不同程度的刀具测量切割两分钟后的温度。此温度不是刀具-工件接触点处的温度，而是热电偶所在的刀具垫片下的温度。测试条件不允许在工件上出现白色图层。在两种不同的切割条件下，稳态温度如图7所示，在使用微量润滑时，其温度降低了约20至30度。由于温度是控制刀具热损伤的重要因素，预计刀具的寿命会根据润滑状况而变化。

图7    稳定状态（20分钟加工时间后）切割温度和最高侧翼磨损的关系 切割速度=700sfpm，进给=0.008英寸/转速，切割深度=0.01英寸（左），切割速度=500sfpm，进给=0.004英寸/转速，切割深度=0.012英寸（右）。

图8显示了两种不同切割条件下刀具磨损的进展情况。每次切割后，测量刀具的磨损情况。图9给出了其中一种切割条件下刀具的初始切割情况，显示了MQL在减少侧翼刀具材料损失方面的明显效果。在两种不同的切割条件下，如果采用微量润滑，刀具的磨损率就会降低。测试的最终终点决定了刀具的寿命，这主要是由于刀具耙上造成的切割。微量润滑推迟了这种切削，以便允许侧翼磨损在工具失效之前进展到更大的长度。在机械加工时间方面，还进一步指出，使用微量润滑有助于将工具寿命延长35%至50%。这种效应在较高的材料去除率下更为明显。

图8    刀具侧面磨损进度，切割速度=700sfpm，进给=0.008英寸/转速，切割深度=0.01英寸（左），切割速度=500sfpm，进给=0.004英寸/转速，切割深度=0.012英寸(右）。

图9    40秒后切割的初始切屑，干（左）和MQL（右）。切割速度=500sfpm，进给=0.004英寸/rev，切割深度=0.012英寸

根据Taylor模型，刀具寿命(T)一般可以用切割速度描述为

数据如表1所示，Taylor模型系数C和a的计算方法如表2所示。

表1工具使用寿命试验结果

表2泰勒系数

进行的测试以确定微量润滑下温度和力的动态行为。在试验过程中，沿钢筋标本的总长度（8英寸）分为三个连续的切片。第一部分完全干切，在第二部分开始时使用微量润滑，在进入第三部分的工具入口，关闭微量润滑，以恢复干切状态。刀具垫片温度和三维力与切割时间的关系曲线如图10所示。由于微量润滑加工应用，稳态温度下降约15%，而达到这种稳态温度的时间为20~30秒。无论是否使用最小量的润滑，这些力都没有明显的差异。这些观察结果与其他稳态测试结果基本一致。

图10    间歇应用微量润滑引起的温度和切割力的变化。切割速度=500sfpm，饲料=0.002英寸/rev，切割深度=0.0075英寸。

结论

实验研究了在完全干燥条件下和微量润滑条件下车削硬化高碳钢材料的影响。本文分析的工艺属性包括表面粗糙度、切削温度、切削力和刀具寿命。以水溶性丙二醇酯溶液恒定流量和喷嘴压力测试了一系列的进给、速度和切割深度。

关于表面粗糙度，在接近干燥和完全干燥的条件下，不能得出明显的差异。然而，在更深的切削和进给下，近干加工可以更明显地感知到表面光洁度的提高。关于稳态切割温度，当应用微量润滑而不是完全干燥时，始终观察到减少10%到30%。预计这是切割区蒸发热增加的结果。关于切割力，无论是否使用微量润滑，都没有显著差异。工件在完全干燥加工条件下的热软化效果并不明显，因此，使用完全干燥高于微量润滑的好处不容易证明。在刀具寿命的背景下，该研究表明，在广泛的切割条件下，微量润滑显著提高了刀具寿命，超过30%。这种效应与切割温度的降低密切耦合。

因此，可以得出结论，使用微量的润滑剂可以潜在地保护工具，同时保持切割力相对不变。本研究未包括铁屑冲洗和环境意识方面的其他加工性能问题。并建议对这些方向进行进一步的研究。