微量油膜附水滴的机械加工性能研究

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在机械加工过程中，为了保证冷却和润滑的效果，需要大量的切削液。随着社会的发展，人们对环保的认识与要求不断提高，相应地，对切削液的环保性能也提出了更高的标准，这为机械加工行业带来了- 个新的课题--绿色加工。

为了达到在少用切削液的同时不降低切削加工的效果，有关部门和科研单位，投入了大量的资金，力图研究出新型的切削加工方式来代替传统的加工方式。在寻求新的切削加工方式的过程中，相继提出了干切削、液氮冷却润滑、微量润滑(Minimum QuantityLubrication，MQL)、微 量油膜 附水滴 (Oil.on.Water，OoW) 1-2]和水蒸气冷却润滑 加工等冷却润滑方式。

1 油膜附水滴切削液的冷却润滑原理过空气压缩机输出具有-定压力的干燥气流，输入到装有水和可 自然降解植物油的容器瓶中，在压力的作用下，将容器中的水和可自然降解的植物油输出到特殊多段式喷嘴中，使压缩空气、水和油剂在喷嘴枪内充分雾化，并经过特殊多段式喷嘴后，形成油膜附水滴(OoW)切削液，在压缩空气的作用下，OoW 切削液以-定速度喷射到切削加工区。由于油剂的亲水性，水滴表面形成-薄层油膜，油膜水滴在-定压力作用下喷射到刀具和工件表面的加工区，水滴表面油膜的扩张性，使最初到达工件表面的油膜破裂，起到充分的润湿和减摩作用，从而达到良好的润滑效果；又由于油膜附水滴进入切削区，吸收切削热后形成汽化中心，微小液滴迅速沸腾、汽化和气泡脱离，并且带动雾滴液体剧烈翻动，使雾滴进-步汽化，带走大量热量，从而达到良好的冷却效果 。微量油膜附水滴发生装置见图1。

油膜附水滴(o。w)切削液是-种生态加工液，即 2 实验研究使用冷空气、微量可 自然降解的油剂和少量水，经复 2.1 实验材料及刀具合喷雾法形成的可自然分解的、新型绿色切削液。通 1)被加工材料：45碳素结构钢，直径 d50mm，教育部博士点专项基金资助项目(20050204)；山西势技攻关项目(20080209ZX)；山西省自然科学基金资助项 目(2012011046.12)80李文举，等：微量油膜附水滴的机械加工性能研究 2013年第5期-调 -I 殊 工 I f J空气压缩机L -匿 季图 1 微量油膜附水滴发生装置长度 1 000mm。

3)刀具参数：刃倾角 A 0。，前角 y。15。，后角。10。，主偏角 K，60。，副偏角 K 10。。

2.2 实验装置及设备本实验全部切削加工过程均在 C6140普通车床上进行 ，切 削力测试 设备 为 CLY型 车削测力仪、YD221动态电阻应变仪、A/D卡和计算机。切削实验测量系统如图2所示。

图 2 切削实验测量系统2.3 实验条件图3所示为切削加工过程中微量油膜附水滴切削液进入切削区的方向示意图。在切削加工过程中，所发生的润滑大多属于边界润滑，切削液主要通过图 3中的A、C、D三个方向进入切削区。在切削过程中，当后刀面磨损不严重的情况下，后刀面方向有可能成为切削液渗透的主要途径(方向A)，而沿切屑流出的方向切削液是难于渗透的(方向 B)。同时在前刀面与切屑之间存在微小的间隙而形成毛细管现象，使切削液能够从切屑和前刀面之间的侧面渗入切削区(方向D)。此外，在切削区的工件表面和剪切面上，存在着许多微小裂纹，由于切削热的作用，汽化的切削液分子可以从这些裂纹进入切削区域进行润滑(方向 C)。

本次实验采用从方向A喷射微量油膜附水滴切削液的方式进行切削液的供给。

图3 微量油膜附水滴切削液进入切削区的方向示意图本实验使用了干切削和乳化液润滑切削两种传统切削方式，与 OoW切削液切削方式进行对比实验，实验条件-致。乳化液流量为 200L/h。OoW切削液的油、水及压缩空气的压力分别为 1.5、0.3、0.5MPa；油、水流量比为 1：100；冷风流量为 120L/rain；油流量为 10～50mL/h。

3 实验结果及分析3.1 切削力实验结果分析图4所示为切深n 1.5ram、进给量厂0.12mm/r时，不同切削速度的情况下，干切削、乳化液切削和OoW切削液切削三种切削方式产生的主切削力(F )的变化曲线。图5所示为口。1.5ram、切削速度 ：70m/min时，不同进给量情况下，干切削、乳化液切削和 OoW切削液切削三种切削方式产生的主切削力(Fc)的变化曲线。

vc/(mmin。)图4 不同切削方式下主切削力与切削速度的关系曲线t/(mm·r )图5 不同切削方式下主切削力与进给量的关系曲线814 3 2 l z2013年第 5期 现代制造工程(Modem Manufacturing Engineering)从图4和图5中可知，随着切削速度的增加三种切削方式产生的主切削力随之减小；随着进给量的增加，三种切削方式产生的主切削力随之增加。然而，在三种切削方式中，OoW切削液切削时的主切削力是最低的，这是因为 OoW切削液能够在-定喷射压力的作用下，进入到切屑、刀具和工件界面，OoW切削液中油膜分子吸附在刀具和工件表面形成润滑薄膜，减轻了刀.屑之间的压力和摩擦。而乳化液较难进入切削加工区进行润滑，从而不能够起到很好的润滑作用。

3.2 切屑形态分析图6所示为口 1mm 厂0.15rnm/r时，不同切削速度条件下，三种切削方式所产生的切屑形态。

通过图6所示发现：干切削时，产生缠绕型的切屑且切屑颜色出现橙黄色，说明在切削加工过程中热量不能及时散失，导致切削区温度升高使切屑出现了烧伤”现象；乳化液切削加工时，切屑局部也产生了颜色变化，说明切削加工过程中产生的热量未能完全散发，使切屑也产生了轻微的烧伤”；用 OoW切削液进行实验时，产生的切屑表面无烧伤，这是因为 OoW切削液在空气压力作用下，喷射到加工区，由于微量水的作用，产生强烈的热交换，带走了切削过程中产生的热量。同时微量油进入刀具.切屑接触面，形成润滑吸附薄膜，有效地减少了刀-屑之间的摩擦，从而减少了热量的产生和切屑的变形。

/Im rain。)图6 不同切削方式下的切屑形态(。 ：1mm 0.15ram/r)3.3 表面粗糙度值的结果分析图7所示为当口 0.5mm， 80、lOOm/min时，不同进给量情况下，干切削、乳化液切削和 OoW 切削液切削三种切削方式得到的工件表面粗糙度值 (Ra)变化曲线。

从图7中可知，采用 OoW 切削液进行冷却润滑时，能够显著降低工件的表面粗糙度值。这是因为油膜附水滴切削液可以进入到刀 屑接触表面和刀具.工828莹吾 6lO8量吾 6f/(mm·r- 1a)v.8Om/min， O.5ram图7 不I司切削方式 F的工件表面粗糙度值变化曲线件表面之间，使可降解植物油分子吸附在刀具和工件的表面上，形成表面润滑薄膜。同时切削液中水分的蒸发可以带走大量的热量，从而起到冷却工件和刀具的作用。因此，OoW切削液可以有效地减小切屑、刀具和被加工表面之间的摩擦，减轻切削区材料的变形程度以及切屑和前刀面的粘结程度，从而减小了表面粗糙度。

实验研究发现，采用 OoW切削液进行切削加工时，能够改善切削时的断屑能力，使切屑不会缠绕在工件上，从而也有效地改善了工件表面的粗糙度。

4 结语通过干切削、乳化液润滑切削及 OoW切削液切削三种切削方式的对比实验，可以得出如下结论。

1)OoW切削液可以有效减少刀-屑之间的压力和摩擦，使主切削力明显减小，起到良好的润滑效果。

2)OoW切削液可以缓解切屑变形及烧伤现象，具有良好的冷却效果。

3)OoW切削液可以有效地减小切屑、刀具和被加工表面之间的摩擦，减轻切削区材料的变形程度以及切屑和前刀面的粘结程度 ，从而减小了表面粗糙度。

(下转第 92页)2013年第 5期 现代制造工程(Modern Manufacturing Engineering)蛀鞲嘲1鬻结点号图5 各焊接结点单元组弹性模量损伤识别值与初始值的比值4.89%。其他各焊接结点都有所改变，这是因为测量误差所致∩见运用本方法较好地达到了焊缝损伤识别的目的。

5 结语本文提出了-种基于模型修正的钢管焊接结构焊缝损伤识别方法。通过建立基于柔度灵敏度的带约束边界非线性最小二乘目标函数，极携结构实测模态与计算模态之间的误差，将损伤识别问题转化为优化问题 ，并采用信赖域方法求解该优化问题。以有限元模型焊接结点单元组弹性模量的降低模拟焊缝损伤，并假定了两种损伤工况，通过对发射台骨架模型的数值仿真及试验研究，结果表明本文提出的损伤识别方法识别效果较为理想，为解决这种大型焊接结构焊缝损伤识别问题提供了新的思路。