植物油切削液在拉削加工過程中的應用研究*

楊永豐，屠春暉，倪 敬,*，何利華

(1.杭州電子科技大學 機械工程學院，浙江 杭州 310018;2.浙江百立機械有限公司,浙江 紹興 312000)

0 引 言

拉削加工是采用拉刀，逐齒依次從工件上切下很薄的金屬層，使表面達到較高的尺寸精度和較低的粗糙度的加工方式，廣泛應用于航空航天、能源、模具和汽車等行業(yè)[1-2]。拉削加工過程中，因為其單次拉削負載較大(超過10 kN)，刀-工-屑接觸區(qū)域溫度較高，在加工過程中通常都會向加工區(qū)域施加切削液，以降低摩擦磨損，提高加工質(zhì)量。

工業(yè)切削液多以礦物油為主要成分，并加入潤濕劑、極壓添加劑等，具有一定毒性，在使用中會危害操作工人身體健康，同時，其后續(xù)的回收處理也會造成一定的環(huán)境污染[3]。植物油具有低毒性、環(huán)境友好性以及良好的可降解性等優(yōu)點，因此，為拉削加工找尋一種合適的植物油切削液，具有非常重要的理論與工程實際意義。

已有的研究表明：在某些加工特性方面，植物油的加工性能要優(yōu)于礦物油[4]。ELGNEMI T等[5]證明了在切削過程中，植物油在減少切削力和改善刀具磨損方面發(fā)揮了重要作用；HOSSEINI T A等[6]采用了可生物降解植物油與壓縮空氣相結(jié)合的噴射模式來車削Inconel 706，與溢流模式相比，該方式減少了切削液的消耗，降低了切削力、切削溫度和工件表面粗糙度；SHOKRANI A等[7]在銑削Inconel 718時，使用了由低溫液氮和MQL菜籽油組成的新型混合冷卻系統(tǒng)，結(jié)果表明：該混合方式與傳統(tǒng)冷卻方式相比，刀具壽命有著成倍的提高；AJAY V B S等[8]在AISI 1040鋼的車削過程中，使用了MQL作用下的椰子油，發(fā)現(xiàn)椰子油具有良好的潤滑性，易于在刀具和工件上吸附，減小了刀具磨損和摩擦系數(shù)，提高了工件的表面質(zhì)量；SAHAB A S A等[9]使用了離子液體混合麻風樹油作為切削液來車削AISI 1045鋼，發(fā)現(xiàn)了該液體有良好的潤滑性能，降低了切削力和切削溫度；LI B K等[10]在磨削中采用植物油為磨削液，對高溫鎳合金進行了研磨溫度和能量比系數(shù)的理論和實驗研究，結(jié)果表明：棕櫚油最適合作為磨削中的MQL基礎(chǔ)油；ELMUNAFI M H S等[11]使用蓖麻油作為切削液來車削硬化AISI 420鋼，與干切削相比，應用MQL的蓖麻油在表面粗糙度、切削力和刀具壽命方面具有了更好的效果。

上述研究大都集中于植物油在車、銑、鉆、磨等切削負載較小，且切削液容易進入刀具和工件接觸區(qū)域的應用場合中，而對于負載較大的，且處于封閉狀態(tài)的拉削加工過程中使用植物油，還鮮有報道，且沒有對加工中，應用不同類型的植物油進行性能比較評價。

本文通過微量潤滑噴射工藝，將5種植物油應用于拉削加工過程中，與傳統(tǒng)拉削工況下的負載和表面粗糙度進行對比，分析植物油的分子結(jié)構(gòu)，以獲得一種適用于拉削加工過程的綠色植物油切削液。

1 拉削實驗

1.1 拉削實驗系統(tǒng)

該實驗采用的拉削實驗系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖

圖1中，實驗系統(tǒng)采用的是LG612YA-800臥式內(nèi)孔拉床，其各類參數(shù)為：

額定拉削負載為20 kN；最大拉削行程為800 mm；額定拉削速度為80 mm/s；主缸參數(shù)為80×45-800；主缸額定油壓為6 MPa；主缸額定流量為100 L/min。

在拉削實驗中，使用型號為01A3-STD-LLMB-600的Accu-lube微量潤滑噴射系統(tǒng)，將切削液噴入切削區(qū)域。該噴射系統(tǒng)的潤滑油劑量為0.003 mL/泵沖程，可以在1.25 ml/h～150 ml/h的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。噴射系統(tǒng)工作時，使用氣壓為0.6 MPa的穩(wěn)定氣壓，將切削液噴射至拉削加工區(qū)域。

實驗數(shù)據(jù)采集部分主要由力傳感器和數(shù)據(jù)采集儀組成，具體為：

(1)力傳感器由4個壓力傳感器CTY204和1個放大板組成，用于檢測拉削負載，并將信息放大后傳輸至數(shù)據(jù)采集儀。對于力傳感器，其輸出電壓為0～10 V，最大負載為2 t，靈敏度為2 mV/V，精度為0.1%F·S，頻率響應為50 Hz；

(2)數(shù)據(jù)采集儀選用uT3408FRS-ICP。該采集儀具有8通道模擬，2通道鍵相，采樣頻率設置為10 240 Hz。

采集分析軟件使用uTekAcqu V2.0&uTekSs V2004。

1.2 拉削刀具與工件

實驗中使用的拉刀和工件分別如圖2所示。

圖2 刀具、工件及噴嘴示意圖

圖2中，實驗使用的拉刀參數(shù)為：

材料為高速工具鋼6542(W6Mo5Cr4V2)；

拉刀總長L=600 mm，寬度b=16 mm，前高h1=35.04 mm，后高h50=36.74 mm；

拉刀表面排布50個刀齒，前角γ0=12°，后角ɑ0=6°，刀齒間距p=6 mm。

根據(jù)齒升量δi,可將拉削過程分為粗拉加工、半精拉加工、精拉加工3部分；刀齒數(shù)分別為：粗拉部分為40，半精拉部分和精拉部分都為5。粗加工和半精加工部分刀齒后刀面，開設有均布的等寬等深分屑槽，呈3分屑槽與4分屑槽交替分布。

實驗中使用的工件參數(shù)為：

材料為AISI 1045結(jié)構(gòu)鋼，其外徑ED=90 mm，內(nèi)徑ID=43 mm，工件厚度lW=20 mm；拉削后切深δm=1.88 mm。

1.3 實驗過程

本文分別采用5種不同植物油和傳統(tǒng)商用拉削油進行拉削實驗。5種不同植物油分別為：純蓖麻油、玉米油、芝麻油、橄欖油和大豆油(羅恩試劑)。實驗中，通過MQL系統(tǒng)，將不同植物油噴射到刀具和工件的接觸區(qū)域。

為了保證該實驗的穩(wěn)定性，排除系統(tǒng)誤差，本研究將MQL噴嘴對準拉刀的第20個刀齒，MQL裝置的噴嘴與拉刀的傾角β=30°，將拉刀分為前半段干拉削和后半段切削油拉削，讓每次拉削的前半段為對照。

同時，也進行了前后半段都為干拉削的情況作為對照。

在使用各組潤滑油的情況下，實驗各重復3次。

2 不同植物油拉削實驗結(jié)果

2.1 拉削負載

拉削負載是拉削工藝性能優(yōu)劣的最為直接的評價之一，該指標直接反應拉削過程的難易程度。

不同的拉削工況下，拉削負載的信號反饋也有不同。

將采集儀采集的不同工況下的負載信號進行處理后，得到的結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同拉削工況下的負載

圖3中，由于刀齒間距p=6 mm，工件厚度lW=20 mm，在拉削過程中，工件和刀具的嚙合齒數(shù)為3齒與4齒交替，在拉削負載上表現(xiàn)為高低起伏，在4齒嚙合時呈現(xiàn)高值，在3齒嚙合時呈現(xiàn)低值，即在拉削階段，負載曲線中會存在波峰與波谷，且在后半段噴射切削油后，負載明顯降低。

該實驗將選取較為穩(wěn)定的前后階段數(shù)據(jù)，即圖3中前后虛線框中的12個波峰與波谷，求平均值作為拉削負載，并進行對比分析，得到的結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同拉削工況下的負載

圖4(a，b)中，ΔF為前半段干拉削均值與后半段油拉削均值的差值，其值大小表明了植物油對拉削負載的降低程度。

不同植物油作用下的ΔF值如圖4(c)所示。從圖4(c)中可以看出：波峰與波谷的負載變化趨勢一致，蓖麻油的負載降低最小，波峰值降低412 N，波谷值降低281 N。

傳統(tǒng)油的波峰值降低516 N，波谷值降低432 N，而芝麻油的負載降低程度最大，波峰值降低898 N，波谷值降低705 N。這與傳統(tǒng)油相比，負載降低程度分別增加了74.0%和63.2%。

2.2 工件表面粗糙度

工件表面粗糙度是反映拉削效果最重要的參數(shù)之一，體現(xiàn)了加工后的加工質(zhì)量與加工精度。

本文對于7種拉削工況，采用SJ-210表面粗糙度儀，對被加工工件的表面粗糙度進行3次測量，然后計算其平均值，最后繪制成柱形圖，如圖5 所示。

圖5 不同拉削工況下的表面粗糙度

從圖5中可以看出：

(1)表面粗糙度的變化趨勢與負載降低程度相反，即較小的粗糙度值對應著較大程度的負載降低；

(2)在傳統(tǒng)油作用下的粗糙度為1.098 μm，而芝麻油的應用下，粗糙度值在幾種工況中最小為0.855 μm，這與傳統(tǒng)油的粗糙度值相比減小了22.1%，即MQL芝麻油的應用，可以提高22.1%的表面質(zhì)量。

3 實驗結(jié)果分析

對于拉削實驗，植物油的分子結(jié)構(gòu)會對拉削負載和表面粗糙度產(chǎn)生不同的影響。拉刀拉削工件產(chǎn)生摩擦時，這一過程中油膜承受較大負荷，導致保持流體潤滑的可能性較小，幾乎都呈現(xiàn)為邊界潤滑狀態(tài)。

在邊界潤滑狀態(tài)下，植物油在拉削區(qū)域，通過物理吸附和化學反應成膜來實現(xiàn)潤滑作用，而這與植物油的分子結(jié)構(gòu)特性相關(guān)[12-14]。

植物油主要成分是由脂肪酸和甘油化合而成的甘油三酯。不同的植物油，其脂肪酸種類和含量各不相同，從而影響了其本身的物理化學性能，以及應用于拉削加工時的潤滑冷卻性能。

該實驗所采用的5種植物油的脂肪酸含量如表1所示。

表1 不同植物油脂肪酸含量(%)

脂肪酸又分為飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸。碳鏈中沒有不飽和鍵的脂肪酸稱為飽和脂肪酸，而碳鏈中含雙鍵的脂肪酸稱為不飽和脂肪酸。

表1中，油酸、亞油酸、亞麻酸、蓖麻酸是不飽和脂肪酸，硬脂酸和棕櫚酸則是飽和脂肪酸。

這6種脂肪酸的分子結(jié)構(gòu)示意圖，以及油酸(不飽和脂肪酸)和硬脂酸(飽和脂肪酸)的球棍模型如圖6所示。

圖6 脂肪酸的分子結(jié)構(gòu)和球棍模型

芝麻油有著最大程度的負載降低和最低的表面粗糙度，這是由于芝麻油中的飽和脂肪酸，特別是硬脂酸在5種油中含量較高。

已有的研究結(jié)果表明：飽和脂肪酸，尤其是硬脂酸對摩擦和磨損的減少具有顯著影響，其通過增強分子之間的作用力，為油膜提供更為強有力的保護[16]。

蓖麻油的不飽和脂肪酸含量較高，其主要成分是蓖麻酸，比其他植物油多了-OH基團，其極性比其他植物油強，金屬吸附及潤滑的能力十分優(yōu)異，很容易吸附在金屬摩擦表面形成膜。但蓖麻油粘度較高(蓖麻油在40 ℃時，運動粘度為252 mm2/s，而其他植物油粘度值都在30 mm2/s～40 mm2/s內(nèi))，不易進入刀具與工件接觸的狹窄楔形區(qū)，因此，負載降低程度較小，其表面粗糙度在幾種油中是最高。

綜上所述，芝麻油在5種植物油中有著最好的拉削性能。芝麻油是一種植物油，沒有傳統(tǒng)油的復雜制作工藝和配方，也不含傳統(tǒng)油的毒性成分。將其應用到拉削加工中，對環(huán)境友好，回收處理較傳統(tǒng)油方便；同時，其不僅具有良好的實用性與經(jīng)濟性，且與實驗采用的MQL方式和傳統(tǒng)澆注式供液相比，也可以減小切削液的使用量。

4 結(jié)束語

針對拉削工況中的高負載、摩擦磨損嚴重的問題，本研究提出將植物油作為切削液，應用于拉削加工實驗中；并使用微量潤滑系統(tǒng)，將5種常見植物油以及傳統(tǒng)拉削油噴射到加工區(qū)域。

實驗結(jié)果表明：由于芝麻油分子優(yōu)異的潤滑性能，在MQL芝麻油的應用下，與傳統(tǒng)拉削油相比，負載降低程度在波峰和波谷均值上分別提高了74.0%和63.2%，同時，表面粗糙度也提高了22.1%。

因此，將芝麻油作為切削液，可以在改善拉削性能的同時，其具有成分簡單、綠色經(jīng)濟環(huán)保的優(yōu)點，對切削液的成分優(yōu)化具有參考意義。