矿物基切削液在加工过程中的使用，特别是对环境、操作人员的健康和加工成本本身产生了负面影响。在可持续加工概念中，冷却剂技术的引入，如近干加工，即微量润滑(MQL)和低温冷却剂，特别是在刀具寿命方面表现出了很好的性能。目前，MQL在加工性能中得到了广泛的应用。本文以MQL合成酯为切削液，进行了实验研究。采用正交切削法对MQL技术在切削温度、切削力、刀屑接触长度和切屑厚度等方面的效率进行了比较。实验结果表明，与干法加工工艺相比，MQL基合成酯作为切削液在加工过程中的应用更有效，降低了切削温度、切削力、刀屑接触长度，产生了更好的切屑厚度。
1.介绍
可持续制造被定义为一种制造商产品的创造，它使用的过程在经济上是合理的，最大限度地减少了负面的环境影响，节约了能源和自然资源，确保了雇员、社区和消费者的安全。[1]。如今，制造业需要可持续的制造，以确保制造过程更加可持续，这反过来又增加了[2]的社会、经济和环境效益。
在可持续制造方面有许多分支机构，其中一个是可持续的机械加工。可持续的机械加工是一个有助于提高环境友好性、降低机械加工成本、功耗和浪费的过程。它还将导致一个更有效的废物管理，提高操作安全和改善个人健康。在可持续的加工过程中所关注的问题之一与矿物基切削流体的应用有关。金属切屑液在机械加工过程中被用作冷却剂和润滑剂。金属切屑液种类繁多，包括油、油水乳液、气雾凝胶、糊料、空气等气体。油水乳液金属切屑液通常被广泛应用于机械加工行业。石油和水的MWF乳液所产生的微生物生长，造成了环境和职业健康问题。为了克服这个问题，将杀生物剂被作为控制微生物生长的添加剂。添加剂还被用于控制泡沫的形成和在使用过程中进入流体中的金属和其他有机成分的腐蚀。这种挫折需要MWF维护系统，成本昂贵，耗能，并导致典型的退化和处理[3]的问题。
可持续加工已经引入了干加工、近干加工，即微量润滑(MQL)和低温加工等各种加工条件。近年来，有许多学者对MQL技术进行了研究。据报道，与干法加工[4]相比，平均切削温度可降低5-10。与干式加工[5]相比，使用MQL作为切削液，刀具磨损或刀具寿命也可以提高四倍。使用合成酯作为MQL加工的最佳润滑剂已被证明比使用植物油和矿物油[6,7]产生更好的切削性能。
本工作对MQL作为一种可持续加工切削液的效率进行了实验研究，并在切削温度、切削力和切屑厚度研究。
2.实验装置
采用正交切削条件进行了实验研究。AISI1045在制造业中得到了广泛的应用。工件的直径和厚度分别为150毫米和2毫米。采用数控车床进行加工。选择未涂覆的碳化物插入件作为刀具。在干加工和MQL技术的条件下，每种冷却剂的切削速度和进给率都有三个层次。表1显示了正交切削和MQL条件。
表1：实验条件
利用支架9257测力计测量切割力。它被连接到多通道放大器和安装有恶意软件的计算机上，以记录切割力数据。
用FLIR热像仪测量了接近切割区的切割温度。工件表面被假定为灰色体，其中发射率被设置为恒定值。从每个实验中采集10个芯片样本，用锥形微尺度测量其厚度。记录了10个样品的平均芯片厚度值的结果。用刀具制造显微镜测量刀片接触长度。区分了滑动区和粘贴区的差异，测量了刀具-芯片的整体接触长度。图1显示了加工过程的完整实验设置。
通过进行三维双相位多普勒风速测量(PDA)测量来确定MQL中薄雾颗粒的大小。它配备了一个发射机，接收机、信号处理器和水冷氩离子激光器。然后将PDA测量的原始数据导出到Dantec软件进行进一步分析。结果表明，雾的平均液滴直径在35μm至45μm之间。
此外，还进行了四次球状试验，以确定合成酯的摩擦系数。测量结果符合ASTMD4172标准。对杠杆臂的所施加的力被设置为392N。电机以1200转/分的转速驱动，试验持续时间为60分钟。温度保持在75℃，可观察到，合成酯的摩擦系数约为0.08。
图1：机器设置
3. 结果与讨论
3.1 切削温度
使用FLIR热成像仪使用0℃至1000℃来测量切割区域的切割温度。图2显示了在不同切割速度和供给速率下获得的切割温度的变化。经观察到，切割温度随供给速率和切割速度的增大而升高。值得注意的是，在干燥和MQL条件下，较高的切割温度都是最高。这是由于工件和工具插入件之间的摩擦力不断增加而造成的。此外，进料速率对切割温度的变化起到了重要的作用。随着进料速率从0.08mm/版增加到0.12mm/版，在干燥和MQL条件下的切割温度记录值都会增加。据预计，在更高的供给速率下，所需的能量将会更大，从而加速切割温度。
与干燥条件相比，MQL作为切削液的使用降低了切削温度约10%-30%。从MQL中得到的压缩空气和润滑剂的混合物通过有效地去除热量来促进这一过程。由MQL产生的合成酯雾由于具有较高的速度，容易穿透切割区。从PDA分析，记录颗粒大小的范围在35μm到45μm之间。从这一结果中，发现以较高速度流动的微小颗粒将更有效地渗透到切割区。
图2：不同加工环境下的切削温度
3.2 切削力
图3显示了切削力在不同切削速度、进给率和加工条件下的变化。观察到切削力随进给速率的增加而增大。这是由于刀片接触长度的增加，增加了芯片的负载。通过将切削速度从350m/min提高到550m/min，由于每次旋转去除的材料减少，切削力略有下降。
采用MQL技术，切削力降低了5%~28。合成酯的润滑作用有助于切割过程变得更加平滑。从四球试验分析中，观察到合成酯的摩擦系数为0.08。这意味着刀屑界面之间的接触是平滑的，从而降低了加工过程的切削力。润滑剂的应用被认为降低了工具-芯片界面[8]之间的摩擦系数。
图3：不同加工环境下的切削力
3.3 切屑厚度
切屑可破碎性的主要因素是切屑形状和尺寸[9]。图4和表2显示了在不同切削速度和进给率下使用精密微尺度测量的加工过程中获得的切屑厚度。观察到进料速率对厚度变化有显著影响。据指出，由于刀具-切屑接触长度的增加，切屑厚度大大增加。在较高的速度下，切屑厚度减小。这是由于减少了每次旋转移除的材料和减少了工具切屑接触长度。
与干燥条件相比，MQL技术可以生产出更薄的切屑。由此可见，在MQL条件下的切割温度要低于干燥条件。它有效地减少了刀具与切屑之间的粘附性和摩擦性，从而降低了切屑的厚度。在MQL条件下的切屑比干燥条件下的芯片薄3%到9%。
表2：切屑厚度值
图4：不同机加工环境下的切屑厚度
3.4 刀具与切屑之间的触点长度
图5显示了不同切削速度、进给速度和加工条件下的刀-屑接触长度变化。结果表明，随着切削速度的提高，刀-屑接触长度减小。这是由于每转去除材料的减少。随着进给速度的增加，刀-屑接触长度增加。
图6显示了MQL与干燥条件下刀片接触长度的比较。在MQL条件下，刀片接触长度比干燥条件降低到12。这是由于气雾剂流动中空气成分的冷却效应和润滑的有效性。此外，它还可以与合成酯摩擦值系数低相关，从而提高了加工性能。
图5：不同加工条件下的刀具切屑接触长度
图6：比较不同进给率和切削速度下MQL与干燥条件下的刀具切屑接触长度
4.结论
采用MQL作为加工过程的切削液，主要结论和结果总结如下：
i. 与干燥条件相比，MQL条件下的切削温度降低了10%~30。温度的降低改善了刀具的寿命，从而有助于可持续的制造。
ii. 与干燥条件相比，MQL条件下的切削力降低了5%~28。这是由于低摩擦系数和较小的颗粒尺寸渗透到切割区。
iii. 建议。发现MQL加工技术比干燥条件更优越。这一现象可以与四球测试和PDA的结果相关。
