摘要：微量润滑(MQL)是指使用仅为一分钟的切削液，通常流量为50至500毫升/小时，比洪水冷却条件下常用的流量低3至4个数量级。自十年前以来，人们提出了微量润滑(MQL)的概念，作为解决工厂车间地板上与空气中切削液颗粒相关的环境污染和职业危害问题的一种手段。本文对用未涂覆的硬质合金插入件在工业速进给组合条件下，用切削油对中碳钢的切屑厚度比、切削温度、切削力、刀具磨损和表面粗糙度的影响进行了实验研究。令人鼓舞的结果包括MQL显著降低了工具磨损率、尺寸不准确度和表面粗糙度，而不是干燥加工，主要是通过降低切割区温度和芯片工具和工作工具相互作用的有利变化。结果表明，MQL系统能够显著提高生产力、产品质量和效率。
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介绍
机械加工部件的质量是根据它们与设定的产品光洁度和反射性能的紧密程度来评估的。尺寸精度、刀具磨损和表面光洁度质量是制造商必须能够控制加工操作以确保工程部件更好的性能和使用寿命的三个因素。在制造业的前沿，制造商正面临机械加工制造领域更高生产率，质量和整体经济的挑战。为了在全球环境中应对上述挑战，对高材料去除率(MRR)和更长的寿命和刀具稳定性的需求日益增加，但高切削速度、进给量和切削深度的高生产加工在切屑-刀具界面产生大量的热量和温度，最终降低了加工部件的尺寸精度、刀具寿命和表面完整性，从而可以做出决定或识别模式。这种温度需要控制在一个最佳的水平，以实现更好的表面光洁度和整体加工经济。
随着切削速度和进给量的增加，由于切屑与刀具前角表面的大块塑性接触，切削液不能正确进入切屑-刀具界面冷却和润滑，传统的切削液类型和使用方法的效果会降低。使用切削液，特别是油基切削液更为严重的问题是工作环境的污染、水污染、土壤污染以及机床导轨可能受到的腐蚀损坏[1]。
因此，现代工业正在寻找可能的干燥（接近干燥）、清洁、整洁、无污染的加工和研磨方法。微量润滑(MQL)指的是使用切割流体只有一分钟的数量——通常的流量50-500毫升/小时大约3到4个数量级低于通常用于洪水冷却，例如，每分钟可分配高达10升的流体。微量润滑(MQL)的概念，有时被称为“准干润滑”[2]或“微润滑”[3]。在加工过程中，该工具通过相对运动和施加力，从耐药体表面去除材料。移除的材料称为工具表面的切屑滑动，将其提交到高正常和剪切应力，并在切屑形成过程中产生较高的摩擦系数。用于形成切屑的大部分机械能变成热，在切割区域产生高温。在切屑的形成和去除过程中消耗了大部分能量。能量消耗越大，刀片界面的温度和摩擦力越大，刀具磨损越大。为此，通常在刀具上使用常规冷却剂，以防止过热。然而，传统冷却剂的主要问题是它没有到达真正的切割面。
广泛产生的热量蒸发冷却剂，然后才能到达切割区域。因此，加工过程中产生的热量没有被去除，是刀具寿命[5]减少的主要原因之一。
切削液应该在改善润滑以及最小化刀具-切屑和刀具-工件界面的温度方面发挥重要作用，从而最大限度地减少加工过程中的癫痫发作，但只有当冷却剂实际到达切削区时，切削区的洪水冷却才能有效地降低低速加工时的切削温度。当加工外来材料或高速加工时，洪水冷却在降低切削温度方面是低效的。冷却剂不容易抵达工件和工具切削刃接口，工具刃口处高温蒸发导致该处突然升温。在加工[6,7]中，特别是非常坚硬的材料，刀具对工件的摩擦产生了很大的热量，这是刀具硬度降低和刀具磨损迅速的主要原因之一。由于这个原因，传统的冷却剂经常用于切割工具，以防止过热。然而，传统冷却剂的[4]的主要问题是它不能到达真正的切割区域。产生的广泛热量在冷却剂到达切割区域之前蒸发掉它。加工过程中产生的高切割力会在工具尖端和工件之间的尖端产生强压力。传统的冷却剂可能无法克服这种压力，流入切割区冷却切割工具。因此，加工过程中产生的热量不会被去除，是减少工具寿命的主要原因之一。适当的选择和应用切割液通常可以提高工具的寿命。在低切割速度下，通过这种切割流体获得[8]的工具寿命几乎是工具寿命的四倍。但表面处理没有显著改善。
加工主要是由于使用切割液体[9,10]而导致环境污染。这些液体通常含有硫(S)、磷(P)、氯(CL)或其他高压添加剂，以提高润滑性能。这些化学物质对健康有危害。此外，处理废物液体的成本很高，处理本身就是空气污染的来源。
皮肤接触切削液会引起各种皮肤病[11]。一般来说，皮肤接触直切油会导致毛囊炎、油性痤疮和角化病，而皮肤接触可溶性、半合成和合成切削液会导致刺激性接触性皮炎和过敏性接触性皮炎。另一个接触切削液的来源是吸入雾剂或气溶胶。空气吸入性疾病已经发生与切削液气溶胶暴露工人多年。这些疾病包括脂性肺炎、过敏性肺炎、哮喘、急性气道刺激、慢性支气管炎和肺功能[11]受损。为了应对皮肤接触或吸入对健康的影响，国家职业安全和健康研究所(NIOS H)建议，允许接触水平(PEL)为0.5毫克/立方米，作为车间[11,12]的金工液浓度。班尼特和班尼特[13]说，在机械加工操作中，工人可以通过皮肤接触和吸入接触切削液。
从成本、生态和人类健康问题的角度，正在大力减少金属切削中润滑剂的使用[1，14-16]。微量润滑(MQL)可以被认为是减少润滑剂用量的解决方案之一。同样，对环境、操作人员的健康和安全以及执行环境保护法和职业安全和健康条例的要求的关注迫使业界考虑将最低数量润滑剂(MQL)加工工艺作为一种可行的替代方法，而不是使用常规切削液。在最小润滑(MQL)条件下的加工被认为在干燥或洪水冷却条件下产生了良好的加工性能。
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研究的目标
本工作的目的是从主切削力和进给力、平均切屑-刀具界面温度、刀具磨损和表面光洁度等方面考察最小数量润滑对中碳钢在不同切削速度和进给量下切削性能的影响。
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试验研究
微量润滑(MQL)的概念可以被认为是一个严格的解决方案，以实现减少刀具磨损和改善表面光洁度，同时保持切削力或功率在合理的水平，如果MQL系统可以适当设计。MQL技术不仅减少刀具磨损，提高刀具寿命，改善表面粗糙度，而且降低切削液的消耗。通过在车床(7.5kw)上用标准的未涂层碳化物插入件在不同的速度进料组合下，通过中碳钢的直车削进行了加工试验。MQL加工是一种有效的半刚性应用，因为MQL在环境友好性和技术经济效益方面具有积极的作用。
加工试验的条件见表一。所有这些参数都是根据刀具制造商的建议以及用未涂覆碳化物插入件加工中碳钢的工业实践选择的。冷却的有效性和相关的好处完全取决于MQL射流能够多么紧密地到达芯片-工具和工作-工具界面，其中，除了初级剪切区，产生热量。合理地预计刀具几何形状将对这种冷却效果发挥重要作用。保持此视图工具配置即SNMG-120408已为这项工作进行。插入件夹在PSBNR-2525M12型刀架中。
表1：实验条件
实验装置的摄影视图如图1所示。选用直径173mm的中碳钢圆柱形杆进行直车。在加工过程中，切割插入件定期取出，然后在冶金显微镜下测量VB、VM、VS(CarlZesis，351396，德国)，用最小计数1μm的千分尺测量。表面粗糙度分别由Talysurf(Surtronic3粗糙度检查器，泰勒霍布森，英国)测量，采样长度为4.00毫米。
图1：实验装置的照片视图。
3.1 切屑厚度比
切屑厚度比RC（切屑前后厚度比）是识别加工性能的重要切削性能指标。对于给定的刀具几何形状和切削条件，RC的值取决于切屑-刀具相互作用的性质、切屑接触长度和切屑形式，除了V和F的水平外，所有这些都将受到MQL的影响。RC值随切削速度、V和进给率、f以及中碳钢切削深度为1.0和1.5mm的加工环境的变化分别绘制并显示在图2和图3中。
3.2 切削温度
任何与高速和进给量相关的加工过程都会产生大量的热量和较高的切削区温度。这种切削温度的大小虽然在不同程度上增加，但随着切削速度、进给量和切削深度的增加，高生产加工受到温度升高的限制。在不同切削速度和进给量的中碳钢车削过程中，采用工具工作热电偶技术测量了干切削和MQL切削条件下的平均切屑-刀具界面温度。在不同的V-f组合下，在干燥和MQL条件下，MQL对平均切屑-刀具界面温度在用未涂覆的碳化物插入(SNMG-120408)转动中碳钢中的作用，在1.0和1.5mm的切割深度下，MQL的作用如图4和图5所示。
图2：SNMG插入在干燥和MQL条件下，切割深度为1.00mm时，切屑厚度比(RC)与V和F的变化。
3.3 切削力
切削力通常在相互垂直的方向上分解成各部件，以方便测量、分析、估计功耗和设计机床夹具-机床系统。在用刀片等单点工具转动时，产生的单个切削力被分解成三个分量，即切向力或主切削力、Fc、轴向力或进给力、Ff和横向力、Ft。每一种相互关联的力量都具有特定的意义。在目前的工作中，Fc和Ff的大小已被测功机监测的所有组合的切割速度，饲料，切割深度和环境。在切割深度为1.0和1.5mm的不同V和f下，未涂覆碳化物插入Snmg-120408在转动中碳钢试样时观察到的MQL对FC和Ff的影响如图6、图7、图8和图9所示。
图3：在1.50mm切削深度下，SNMG插入在干燥和MQL条件下，切屑厚度比(RC)与V和与V和F的变化
图4：在干燥和MQL条件下，在切割深度为1.00mm深度为1.00mm时，温度（θ）与V和F的变化。
3.4 刀具磨损
刀具寿命对机械加工生产的生产率和经济性有显著影响。刀具可能因脆性断裂，塑性变形或逐渐磨损而失效。在常规加工中，特别是在连续的切屑形成过程中，如车削，通常刀具通过磨损、粘附、扩散、化学侵蚀、电偶作用等逐渐磨损而失效。取决于刀具材料和加工条件。刀具磨损最初以相对较快的速度开始，这是由于磨损和锋利切削边缘的微切削引起的所谓断裂磨损。随着加工的进展，刀具在前刀面上达到了弹坑磨损，在间隙表面由于与切屑和工件表面的连续相互作用和摩擦而产生了侧翼磨损。系统渐进磨损通常由主侧翼磨损(VB)的平均值来评估，这会加剧切削力和温度，并可能随着加工的进展而引起振动。准确评估刀具磨损的需要大大增加，以生产所需的最终产品，以便在现有刀具磨损的瞬间引入新的刀具，从而防止对机器产生任何危害或产品表面光洁度恶化。最大限度地延长刀具的工作时间和尽最大努力防止刀具断裂的重要性直接关系到切削过程的优化。刀具寿命的提高对于尽可能降低生产成本至关重要。主侧穿的增长，VB加工时间记录的进展而将中碳钢未涂覆的SNMG插入在较低的速度和饲料（=66米/分钟，=0.10毫米/牧师)和更高的速度和饲料(=258米/分钟，=0.20毫米/牧师)和两个深度的切割(=1.0毫米和1.5毫米）在干燥和MQL（切割油）条件已如图10所示，图11，图12和图13。
图5：在干燥和MQL条件下，在1.50毫米的深度下，SNMG插入中碳钢，温度（θ）随V和F的变化而变化
图6：在干燥和MQL条件下，在1.00mm的切削深度下，SNMG插入车削中碳钢的主切削力(FC)与V和F的变化。
图7：SNMG插入在干燥和MQL条件下，在1.50mm的切削深度下，主切削力(FC)与V和F的变化。
图8：
SNMG插入在干燥和MQL条件下，在切割深度为1.0mm时，进料力(Ff)与V和F的变化。
图9：在干燥和MQL条件下，在1.50mm的切割深度下，SNMG插入在车削中碳钢的进料力(Ff)与V和F的变化。
图10：在1.00毫米深的干燥和MQL环境下，采用SNMG插入机加工时间转向中碳钢的平均主侧磨损(VB)增长。
主要侧翼磨损是最重要的，因为它提高了切削力和相关问题。再一次，工具的生命，最终失败了
3.5 表面光洁度
表面粗糙度是广泛使用的产品质量指标，在大多数情况下是机械产品的技术要求。任何被加工部件的性能和表面寿命都受该部件表面完整性的影响。达到理想的表面质量对零件的功能行为具有重要意义。因此，在给定的切削条件下，金属去除操作引起的表面粗糙度的大小的估计是这一领域的主要作用之一。机加工零件的表面粗糙度是一种重要的设计规范，已知对耐磨性、清洁能力、装配公差、摩擦系数、磨损率、耐蚀性、疲劳强度和美观等性能有相当大的影响。表面光洁度是机床生产率评价的一个重要因素。由于加工表面粗糙度是金属切削加工中的一项重要质量指标，因此在加工过程中对加工表面粗糙度进行实时监测和控制具有重要意义。
表面粗糙度的测量分为两个阶段：一是在用锋利的刀具加工几秒钟后，记录切削温度和切削力；二是随着加工的进展，同时监测刀具磨损的增长与加工时间。在这里，表面光洁度是由Talysurf(Surtronic3，RankTaylorHobson有限公司)通过在不同的V-f组合下用未涂覆的碳化物插入件加工钢筋来测量的，在干燥和MQL下切割深度为1.0和1.5mm，取样长度为4.00mm。测量几次算术平均值，然后对其进行平均，以获得切削速度、进给量和切削深度组合的表面粗糙度值。
在切割深度为1.00mm和1.50mm的不同进料速度下，表面粗糙度随切削速度的增加而变化，在较低的速度和进料(V=66m/min，f=0.10mm/rev)和较高的速度和进料(V=258m/min，f=0.20mm/rev)在干燥和MQL（切削油）条件下，表面粗糙度随加工时间的变化如图15所示。
图11：SNMG插入在干燥和MQL环境下加工时间车削中碳钢的平均主侧翼磨损(VB)的增长，切削深度为1.50mm。
图12：SNMG插入在干燥和MQL环境下加工时间车削中碳钢的平均主侧翼磨损(VB)的增长，切削深度为1.00mm。
图13：SNMG插入在干燥和MQL环境下加工时间车削中碳钢的平均主侧翼磨损(VB)的增长，切削深度为1.50mm。
图14：SNMG插入在干燥和MQL条件下，在切割深度为1.00mm(A)和1.50mm(B)时，表面粗糙度(Ra)与V和F的变化)。
图15：在干燥和MQL环境下，SNMG插入在切割深度为1.00毫米(A)和1.50毫米(B)时，V=66米/分钟；在切割深度为1.00毫米(C)和1.50毫米(D)时，V的平均表面粗糙度(Ra)随时间的变化=258米/分钟)。
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对实验结果的讨论
4.1 切屑厚度比
加工中的所有参数都与切屑厚度比直接或间接相关。如果在切割区产生过多的热量，工具和工作材料之间将会有很高的摩擦。这种摩擦力会导致高能量消耗，从而提高切割力。这将导致低切屑厚度比，这是不可取的。图2和图3分别绘制并显示了中碳钢在1.0和1.5毫米切割深度下切速、V和进给率、F和加工环境变化。图2和图3表明，由于切屑-工具界面摩擦的降低、尖端形成的降低和切割边缘的磨损，MQL喷射的应用提高了所有V-F组合的切屑厚度比值。在所有V-F组合中，MQL通过切割油比在干燥环境中加工更有效。MQL射流具有润滑和冷却效果，最小化了剪切区的收缩和增塑化，减少了内置边缘的形成。图2和图3清楚地表明，在整个实验领域，在干燥和MQL条件下，直流值随V和F的增加而逐渐增加。。这是由于与更高的材料去除率相关的更高的能量利用。
4.2 切削温度
在任何加工过程中，切削区产生的热量都是首要考虑的问题，为了获得更好的加工性能，需要将该热量控制在最佳水平。切削温度随比能耗和材料去除率的增加而升高。随着切削速度、进给量和切削深度的增加，高产量加工受到温度上升的制约。高温产生的不利影响，直接或间接地影响切屑的形成，切削力，刀具寿命，尺寸精度和加工部件的表面完整性。因此，MQL在芯片-刀具界面上的应用有望改善上述加工特性，这些特性除了对加工环境友好外，对生产率、产品质量和整体经济都起着至关重要的作用，特别是当芯片-刀具或工作-刀具界面温度较高时。在本研究工作中，采用一种具有适当校准[17]的工具工作热电偶，在不同切削速度和进给量的条件下，测定了中碳钢在不同切削速度下的平均切屑界面温度，并根据不同的切削速度绘制了干润滑和最小润滑(MQL)条件下的值。在不同的V-f组合下，在干燥和MQL条件下，MQL对平均切屑刀具界面温度在用未涂覆的碳化物插入(SNMG-120408)车削中碳钢中的作用分别为1.0和1.5mm，如图4和图5所示。图4和图5清楚地描述了在不同的实验条件下，由于最小数量润滑(MQL)，工具-芯片界面温度在多大程度上降低了。随着切削速度和进给量的增加，刀屑界面温度也照常升高，即使在MQL下，由于能量输入的增加。
4.3 切削力
加工过程中产生的切割力对任何机械部件的质量都有重大影响。高切割力可能导致工具过早故障、工具振动、高温产生、大工具偏转和工件表面的显著机械载荷。大的工具偏转会导致错误，因为工具的尖端位置偏离了预期的位置。工件表面的大型机械载荷会影响机加工表面的地形和完整性。由于这些原因，理解变化的过程条件如何影响切割力显然是很重要的。在这些研究中，记录了在干燥和最小量润滑(MQL)条件下加工过程中切割力（主切割力、直流力和进给力）的两个组成部分，同时通过定期未涂层的SNMG插入来转动中碳钢。力组件用应变计型力发电机测量，并用基于PC的数据采集系统记录，用于切割速度、提要、切割深度和所进行的环境的组合。图6到图9清楚地表明，MQL射流在降低主切削力和进给力方面是相当成功的。这主要是由于MQL射流的润滑效应所实现的摩擦减少。MQL射流以其速度和速度能够到达工具尖端，在那里它执行其润滑和冷却效果，并将摩擦最小化到显著的数量。减少切削力背后的原因可能是减少切屑负荷。高速MQL射流冲击在前刀面上，使切屑上升，减少了切屑载荷，最终大大降低了切削力。从图中还可以看出，主切削力和进给力随切削速度的增加而减小，力分量随进给速率的增加而增大。
4.4 刀具磨损
传统切削加工中的刀具，特别是在车削等连续切屑形成过程中，通常会受到磨损、粘附和扩散的逐渐磨损，这取决于刀具的工作材料和加工条件。在干燥和MQL（切削油）条件下，用无涂层SNMG刀片低速进给（V=66m/min，f=0.10mm/rev）和高速进给（V=258m/min，f=0.20mm/rev）车削中碳钢时，记录了主齿面磨损VB随加工时间的增长在图10、图11、图12和图13中。在干燥和MQL环境下观察到VB的逐渐增长，这是确定刀具寿命到期的主要参数，表明在没有任何过早的切削、压裂等刀具失效的情况下进行了稳定的加工。建立工艺参数领域的适当选择。MQL射流在辅助切削刃上的应用大大改变了切屑的形成，控制了切削温度。这在很大程度上降低了刀具磨损率，从而改善了刀具寿命，如这些图表所示。这种MQL射流的改进主要归因于保持硬度和锋利的刀刃，以稳定和密集的冷却，防止氧化和腐蚀，以及没有积累的边缘形成，这加速了陨石坑和侧面磨损的剥落和切屑。
4.5 表面光洁度
给定材料的任何机械产品的质量通常由尺寸精度和表面完整性来评估，这控制了该产品的性能和服务寿命。在本研究中，只考虑表面粗糙度来评估在干燥和最小数量润滑环境下加工的产品的质量。。从数据中可以明显看出，表面粗糙度随着饲料速率的增加而增加，并随着切割速度的增加而减小。随着切割速度的增加，粗糙度的降低可能是由于芯片工具界面更平滑，除了饲料标记可能截断和工具尖端轻微扁平外，形成边缘的机会更小。切割速度的增加也可能导致由于粘附和扩散类型的磨损而使缩放辅助切割边缘轻微平滑，从而降低表面粗糙度。从图14可以清楚地看出，MQL可以在一定程度上改善表面光洁度。这一改进可能是由于减少了磨损，也是由于防止了堆积的边缘形成。也可以看到，切割深度的增加可能会导致表面光洁度有时提高到轻微的数量，但这是微不足道的。在较低的速度和进料(V=66m/min，f=0.10mm/rev)和较高的速度和进料(V=258m/min，f=0.20mm/rev)，在干燥和MQL（切削油）条件下，表面粗糙度随加工时间的变化如图15所示。在图中可以看出，在干燥和MQL环境下，表面粗糙度随加工时间的增加而增加。从这些数据中可以看出，在干加工下，由于更密集的温度和刀具尖端的应力，表面粗糙度增长相当快，MQL似乎有效地降低了表面粗糙度。然而，很明显，MQL提高表面光洁度取决于工作工具材料，主要是通过磨损、切屑和堆积边缘形成来控制辅助切削刃的劣化。
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结论
本文从切屑-刀具界面温度、切削力、刀具磨损和表面光洁度等方面考察了最小润滑量对车削中碳钢加工性能的影响。目前的MQL系统已被证明是成功的降低平均切屑刀具界面温度取决于工作材料，刀具几何形状和切削条件。的确，这种小的减少使可加工性指数得到了显著的改善。MQL降低了切削力。MQL在剪切区提供了有效的冷却，降低了芯片-刀具界面温度。它还提供了适当的润滑，以尽量减少摩擦，导致保持刀具锋利更长的时间。由于切削区温度的降低，切屑-刀具相互作用的有利变化和切削刃锋利度的保持似乎是MQL切削力降低的主要原因。在使用无涂层刀片SNMG-120408加工中碳钢时，MQL射流的应用使后刀面磨损得以减少，这可能会导致在较高的切削速度和进给速度下有助于提高刀具寿命或生产率。这种刀具磨损的减少可能会延缓磨损和缺口，减少或防止侧翼的粘附和扩散型热敏性磨损，并减少通过切屑和剥落加速切削边缘磨损的堆积边缘形成。最小数量的润滑减少了深度缺口和开槽，这是非常有害的，并可能导致过早和灾难性的刀具故障。尺寸精度和表面光洁度有了很大的提高，这主要是由于减少了刀具尖端的磨损和损坏，也是由于MQL的应用降低了平均芯片刀具界面温度。
