传统机械加工中切削液减量技术的研究*

裴宏杰 刘成石 付坤鹏 王贵成

(江苏大学精密工程研究所，江苏 镇江 212013)

切削液在机械加工中的主要功用为冷却、润滑、清洗和防锈[1]。由于切削液在排放前必须进行处理以达到环保要求，使得在工件总加工成本当中，切削液费用成本超过了刀具。

我国目前各类机床保有总量为700万台左右，保守估计其中的50%使用切削液，并按每台机床平均每月消耗切削液80 dm3估算，每年切削液的消耗总量的估计值即为336万m3[2]。当前企业机械加工所采用的冷却方式，基本上都是采用传统的大量浇注切削液进行，规模大的企业采用中央供液系统，小一点的企业采用单机供给。要在不降低工件加工质量基础上，实现机械加工过程中的节能减排，减少切削液用量，可以采用的措施主要有两种：

一个办法是采用绿色切削新技术，如MQL加工[3-5]、冷风加工[6]等，这需要企业新购装备或者改造设备，投资较大。或者关掉切削液，采用干切削技术[3]，但受到刀具磨损、加工质量及机床变形等因素的限制。

另一个办法是采用传统大量浇注切削液的减量技术，这个技术的实施，对所用加工机床不需要改造或者局部简单改造，分析其冷却润滑机理，对喷射位置、喷射速度等参数进行优化，可降低切削液的用量。

当前对MQL等绿色切削研究的较多，对大量保有的浇注式冷却装置的机床，如何减少切削液的用量的研究鲜见。本文仅从喷射参数的角度探讨切削液减量的可行性，针对当前的机床装备条件下，对供液装置进行局部简单改造，在合适位置下进行浇注，保证加工质量基础上，减小切削液用量进行了研究，对企业生产具有参考意义。

1 喷射参数对切削液用量的分析

1.1 切削液减量的可行性

在机械加工中，影响切削液用量的因素，包括切削用量、工件材料、切削液和喷射参数等，如图1所示。传统大量浇注切削液时，到达切削变形区的路径，一般认为有4个方向，如图2所示A、B、C、D。不管从哪里渗入，能够进入变形区的切削液的量都很少。

在大量浇注切削液时，一方面受到切屑阻挡及刀具或工件的高速运动的离心力，使得大部分切削液向四周飞溅，并不能够靠近和接触刀具、工件和切屑的表面。另一方面，由于切削区表面的高温，产生膜态沸腾[7]，在切削液和基体表面形成切削液蒸汽膜，此蒸汽膜又阻碍了低速切削液进入变形区，最终只有少量切削液进入，起到冷却润滑作用。

所以，通过采用定向喷射，以能够穿越膜态沸腾和高速旋转离心力的喷射速度，完全可以减少切削液的用量。

1.2 喷射方向的选择

如图2所示，切削液沿A方向渗入，需要突破第二变形区，而在第二变形区，切屑沿前刀面排出，正压力很大，切屑甚至粘接在前刀面，摩擦与挤压剧烈，产生大量热量，温度极高。切屑不断地与前刀面粘结撕扯，一般压力和流速的切削液逆着切屑流出方向很难渗透进去，只能在表层起冷却作用，因此效果较差；C方向为从外部喷射到第一变形区，切削层金属在第一变形区产生剪切滑移为主的塑性变形，表面可能产生极小缝隙，但在高压和高温条件下，使得渗透十分有限；同样从D方向从侧面也很难渗透进入变形区。而B方向为沿刀具后刀面方向喷射到第三变形区。一般刀具都有后角，过渡表面与后刀面之间形成楔形缝隙，切削液能够比较容易地渗透靠近第三变形区。刀具与工件之间的相对运动产生“抽吸”现象，在楔形区产生负压[8]，而且加工表面会有微型沟槽，形成毛细管[9]，同时相对于第一变形区和第二变形区，压力和温度较低，从而比较容易进入到第三变形区。另外，第三变形区对加工质量影响较大，切削液的润滑作用，可以有效减小切削力，减小表面粗糙度值。根据相关研究[9-10]，主后刀面是最佳喷射途径。

1.3 喷嘴靶距的确定

靶距是影响冷却润滑效果的一个重要因素[10-11]。切削液以一定的速度离开喷嘴后，液流在空气中受重力、空气阻力的综合作用，其动能将逐渐减小。因此增加靶距即增加了切削液的动能损耗，减小了液流的速度，从而减弱了切削液的渗透作用；另外靶距增大，切削液的径向分布范围增加，会有大量切削液处于变形区以外，不能起到作用，因而靶距不能太大。另外，如果靶距太小，切削液的径向分布范围太小，不足以覆盖变形区。因此，存在一个最佳靶距。

2 试验条件和参数

实验设备采用德国Spinner公司生产的SB-CNC超精密数控车床，测力系统采用瑞士奇士乐公司的Kistler9293A三向动态压电式测力仪以及相应的数据采集与处理系统；表面质量测量采用日本三丰公司生产的MITUTOYO SJ201粗糙度仪，刀具采用Sandvik 公司生产的CoroTurn 107车刀片(SCMT09T304-PF 4225)。

切削液采用MASTER TRIM C270全合成切削液，混合体积比例5%，对正火态45钢进行精密车削试验。所采用的实验参数如表1所示。

表1 切削实验参数

项目名称参数刀具角度CoroTurn 107 车刀片αo=0呝,γo=7呝,κr=75呝,κ'r=15呝,λ=0呝切削用量切削速度v/(m/min)179,269,358,448,537进给量f/(mm/r)0.02,0.03,0.04,0.05,0.06切削深度ap/mm0.3

为了改变切削液用量，设计了A、B、C、D、E五种喷嘴，结构如图3所示，相关参数如表2所示。

实验设计为变流量速度，射流速度为300 m/min。A、B、C、D、E喷嘴对应的切削液流量如表2所示。

表2 喷嘴结构及喷射参数

项目参数喷嘴A喷嘴B喷嘴C喷嘴D喷嘴E喷嘴结构直径ϕ2/mm53.532.52直径ϕ1/mm64.543.53直径ϕ3/mm11高度h1/mm5高度h2/mm8高度h3/mm5高度h4/mm18螺纹M1/mm10长度L/mm12喷射参数喷射方向主后刀面喷射靶距/mm20流量/(L/min)5.92.92.121.471.14

喷射方向，选定为主后刀面。靶距，根据前期研究[10]，确定为20 mm。

3 结果和讨论

3.1 切削液流量对切削力的影响

图4a为5种切削液流量下切削合力F随切削速度v的变化(背吃刀量ap为0.3 mm，进给量f为0.03 mm/r，靶距为20 mm，喷射位置为主后刀面)。由图可知，总体来说，切削力随切削速度的增大而逐渐减小。因为随着切削速度的增大，切削变形减小，而且切削速度增大，切削温度会上升，改变材料的流动特性。与最大流量5.9 L/min的切削力相比，其他4种不同流量下的切削力差距都较小，最大差距是在179 m/min时，流量2.12 L/min切削力为64.4 N(流量5.9 L/min的切削力为60 N)，相差4.4 N，为7.3%。不同流量切削力差距最小为在537 m/min时，最大为1.14 L/min的61.6 N，最小为1.47 L/min的60 N，相差为1.6 N；相差最大在358 m/min时，最大为1.14 L/min的63.5 N，最小为2.9 L/min的56.5 N，相差为7 N。其中2.9 L/min和1.47 L/min流量的切削力总体小于5.9 L/min的切削力。

图4b为5种切削液流量下切削合力F随进给量f的变化(背吃刀量ap为0.3 mm，切削速度v为358 m/min，靶距为20 mm，喷射位置为主后刀面)。由图可知，切削力随进给量的增大而增大，基本是呈线性增长。随着进给量增大，切削厚度增大，单位时间去除量增大，切削力增大。其中2.9 L/min和1.47 L/min流量的切削力总体小于5.9 L/min的切削力，1.47 L/min流量切削力比2.9 L/min的切削力更小，2.12 L/min的切削力基本大于5.9 L/min的切削力，1.14 L/min的切削力与5.9 L/min的切削力交叉。

根据金属切削理论，对切削力影响最大的是第二变形区，即前刀面和切屑的接触区域，第三变形区的影响所占比例较小。一般机床切削液供应采用叶片泵，切削液压力较小，使得切削液很难通过前刀面-切屑之间的高压接触区域，进入变形区。从主后刀面喷射切削液，相对来讲更容易进入，从而发挥作用，但对切削合力来讲，所占比例较低，所以总体来说，切削液不同流量对切削力影响的差距较小。其中，流量2.9 L/min和1.47 L/min的切削力要小于最大流量5.9 L/min的，主要原因是覆盖面积内的切削液压力较大，能够更容易渗入变形区，而1.14 L/min的流量因为覆盖面积较小，进入的切削液量不足，使得切削力减小不到1.47 L/min。

3.2 切削液流量对表面粗糙度的影响

图5a为5种切削液流量下表面粗糙度Ra随切削速度v的变化(背吃刀量ap为0.3 mm，进给量f为0.03 mm/r，靶距为20 mm，喷射位置为主后刀面)。由图可知，总体趋势为，表面粗糙度值随切削速度的增大而逐渐减小。随着切削速度的增大，切削变形减小，粗糙度值减小。图4b为5种切削液流量下表面粗糙度Ra随进给量f的变化(背吃刀量ap为0.3 mm，切削速度v为358 m/min，靶距为20 mm，喷射位置为主后刀面)。随着进给量的增大，工件表面残留高度增大，粗糙度值增大。相对于5.9 L/min，其他4种小流量的工况，由于覆盖区内的切削液的压力和平均速度较高，能够更加容易渗透进入第三变形区，减小后刀面与工件表面的摩擦，使得表面粗糙度值总体减小。

3.3 切削液用量分段分析

为了更加清晰地说明和便于理解切削液减量的可能性，将切削液用量划分梯度区域。传统浇注大用量流量5.9 L/min作为100%区域；2.9 ～2.12L/min流量，相当于30%～50%区域；1.47 L/min和1.14 L/min流量，相当于20%～25%，区域。将2.9 L/min和2.12L/min、1.47 L/min和1.14 L/min对应的切削力和粗糙度进行平均，然后作图，如图6所示。

从图6可知，通过定向喷射，切削液用量是可以大幅减小的，表面粗糙度值基本随切削液用量的减小而减小。当切削液用量减小为1/3～1/2的切削力，与100%用量的切削力则有交错，当切削液用量减小为1/5～1/4，总体低于切削液用量100%的切削力。但是，由于实验采用精加工参数，进给量和背吃刀量较小，所以切削力彼此相差不大。但对于加工质量来讲，表面粗糙度得到了较大改善。

4 结语

对于精加工，通过实验研究，采用主后刀面喷射，靶距20 mm，不对机床改造，仅采用小直径的喷嘴，可显著减小切削液用量，可以降低到传统用量的1/5～1/4，同时不降低加工质量。