低温冷风MQL技术中微量润滑机理研究

黄　伟

（西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065）

【摘　要】本文主要分别讲述了纵向毛细形成的原因是刀具表面不平整引起的犁耕作用；横向毛细管形成的原因是硬质点嵌入切屑中在与刀具的相对滑动中撕裂切屑形成横向缝隙。在此模型的基础上总结了低温MQL的润滑机理，并通过实验数据验证润滑油膜的存在。

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关键词 润滑机理；毛细管模型；润滑模型

0　引言

常规的微润滑（MQL）技术在切削难加工材料时，切削区的温度过高使刀具表面的润滑膜失去了润滑效果，造成刀具剧烈磨损。若采用有效的降温手段，使切削区达到-10~-40℃，可以进一步提高MQL的润滑效果，并且能够有效减轻高温摩擦对刀具产生的剧烈磨损。

低温冷风微量润滑技术通过降低压缩气体的温度，一方面提高切削区换热的强度，改善换热效果；另一方面，换热效果的提高又可以使润滑液滴形成的润滑膜进一步保持润滑能力，从而降低刀具磨损，提高加工质量。但是目前该项技术还存在不少问题：（1）使用低温冷风MQL技术时如何能够保证切削区的温度，达到设计要求的-10~-40℃；（2）微量润滑液的润滑机理不明，是否有润滑油膜的产生；（3）对风冷切削技术缺乏系统性的试验研究，对一系列技术参数没有量化和优化。

1　低温冷风MQL润滑机理

根据纵横交错毛细管模型，本研究进行了流场模拟和雾化实验观测，总结描述出低温MQL油膜的形成过程。如图1所示，在切削过程中切削变形区摩擦界面上由于强大的挤压及剪切应力和切削刃处的不平整，沿着切屑的流出方向会产生纵向主毛细管，而横向的毛细管[1]是由于在冶炼中以及挤压和剪切应力作用下，产生的小的硬质点，由于挤压作用硬质点会嵌在切屑内部（图1a），刀-屑相对运动中，硬质点会使切屑接触面上形成空隙（图1b），硬质点在摩擦力作用下逐渐扩大形成毛细管（图1c），如果有积屑瘤的存在，则整个毛细管会更加清晰。

从整个过程来看，毛细管内部为真空，当其一端与大气相通时外界气体和高速细粒润滑油快速填充，在继续的相对运动中，有外部的高压微量润滑液与毛细管中的润滑液持续补充，与此同时，翘曲切屑与刀体之间也会存在缝隙，润滑液颗粒，会在高压下持续进入缝隙中，从而形成了局部类油楔的边界润滑模型（图1d）。

以上油膜的形成过程是主要是针对前刀面的，而后刀面主要的作用是形成已加工表面，它的润滑油膜形成过程，可描述为如下：在挤压及剪切应力下，撕裂后的金属，留下极不光滑表面粗糙度，工件和刀具之间的过渡表面接触区存在很多间隙，细小的润滑油颗粒，在高压气体作用下，喷入间隙中，从而在刀具后刀面与工件之间形成一层不均匀油膜，在工件与刀具之间的相对运动中提供后刀面的润滑。

在高压冷风的携带下，润滑油微粒，进入金属间隙，吸附在金属表面，同时，冷风带走了切削产生的大部分热量，同时，也降低了润滑油本身的温度，润滑油在低温下，粘度会增加，会在刀体上形成抗压性能更好的油膜。

2　低温MQL润滑机理实验研究

2.1　实验方案

为探究低温冷风切削润滑机理。对比分析不同润滑条件下，对钛合金切削力及切削温度产生影响的原因。因此设置如下三种试验环境：

环境一：在仅提供低温冷风的情况下。

环境二：在低温冷风MQL条件下切削。

环境三：在利用机床自身的冷却液浇注式冷却润滑条件下，进行车削试验。

试验仪器：CTL-40/1.5型冷风射流机；ACCU-LUBE微量喷油系统；DT8300测温仪；CA-1A动态电阻应变仪；三向车削测力仪。

以钛合金（TC4）和45#钢圆棒料做为试验切削材料。选用切削用量为转速n=350r/min、切削深度ap=0.5mm、进给量f=0.3mm/r。

2.2　实验结果及分析

从图2中，三种环境从切削力Fz对比来看，冷风切削和浇注式切削时的切削力要大于低温冷风MQL切削，而浇注式比冷风切削稍大；在相同的切削参数下，切削钛合金时产生的切削力要比45#大。冷风MQL条件下切削力比干式切削的切削力小接近17%。

影响切削力大小的参数主要有：切削用量三要素（切削深度>进给量>切削速度）；刀具的几何参数（前角、主偏角、负倒棱、刀尖圆弧等）；刀具材料（高速钢>硬质合金>陶瓷刀具）；刀具磨损情况；切削液类型（无切削液>乳化液>润滑油）。

而在本次试验中，采用的切削参数是一样的，并且使用同一把车刀，刀具的材料是YG8，连续车削两层钛合金，对刀具后刀面的磨损几乎可以忽略不计。两次实验中一次只采用低温冷风、另一次试验中采用的是低温冷风微量润滑，差别只是增加了少量的润滑油。但是从图2中可以看出，低温MQL的切削力比冷风车削的小接近17%，这部分减小的力，就是增加微量润滑油的结果，也就是润滑油产生润滑油膜后使得切削阻力降低，从而降低了切削力。

实验结果图3中在三种环境下，在相同的切削速度下可以发现浇注式的条件下，切削区的温度最低。冷风MQL与冷风切削的测量温度相对较高，这两种环境相比较切削温度相差不多。冷风MQL略低一些。浇注式的冷却主要是靠大量切削液的对流换热方式，浇注式的切削液流量大流速低，切削液来不及到达切削主区间隙，及时冷却润滑切削前刃部位，因为水的比热容最大，可以迅速带走切削热，因此，测量温度较低。

冷风MQL的冷却效果比纯冷风效果好，主要原因还是在于冷风MQL比单纯冷风多了少许润滑油，而这些润滑油在冷风高速气流的携带下对刀具、切屑、工件之间的切削区进行强力降温，并迅速在切屑和刀具之间形成油膜，使切屑的温度来不及传递到刀具、工件，这是冷风切削的降温机理。另一方面，在冷风降温同时低温油膜使得切屑与刀具之间摩擦类型发生了变化，由干摩擦，变成了边界摩擦，这使得摩擦减少，同时摩擦热也相应减少。因此，在低温冷风微润滑条件下，切削温度较低，由于油膜的保护刀具在这样的环境下使用寿命更长。

从图4中A图可以清晰看到，切屑边缘的锯齿状毛刺，这是在切屑挤压变形中，刀具施加的剪切和挤压力克服了切削材料的屈服强度和拉伸强度，即克服了材料的动态强度，造成切削材料的周期性屈服变形，形成了规律的锯齿状毛刺。从C中可以更明显的看到，由于周期性的屈服而造成原本光滑的表面变成了粗糙不平的翘曲面。而从B图中可以清晰看到清晰沿着切屑流出方向由于摩擦而形成的沟壑痕迹。

正是由于切屑中类似图4A和B处，切屑产生的翘曲和由于摩擦撕裂产生的横向毛细管，使得微量润滑油在高压的冷风携带下，吹入到切屑与刀具之间的缝隙中，填满缝隙，在切屑与刀具之间的相对运动中，形成类油楔边界润滑模型。

3　结论

在前人毛细管模型的研究和实际观察，提出一种单个纵横毛细管模型，通过实验数据分析和对切屑的观测，可以得到结论如下：

（1）通过对切屑形态和表面观察，证明润滑油进入通道的存在（单个纵横交错毛细管模型）；

（2）通过低温MQL和冷风切削实验数据（切削力减小接近17%、切削温度降低8%），接验证润滑油膜的存在；

（3）润滑油通道和润滑油膜的存在，印证低温冷风MQL润滑机理。

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参考文献

［１］严鲁涛,袁松梅,刘强.微量润滑技术作用机理研究[J].制造技术与机床,2009(1):57-59.

［２］韩荣第,张悦,杨占军,等.水蒸气冷却润滑时高温合金的绿色切削试验[J].南京航空航天大学学报,2010,42(1):98-102.

［责任编辑：汤静］