金属带锯床超声水雾作用下锯切特性研究

2018-09-13陈烨波冯国栋

中国机械工程 2018年17期

倪敬陈烨波蒙臻冯国栋许静

杭州电子科技大学机械工程学院，杭州，310018

0 引言

金属带锯锯切过程中的锯齿润滑冷却特性是影响加工精度和效率的主要因素。传统切削液在减小锯齿、工件和切屑三者之间的摩擦和降低温度等方面具有很好的效果［1］，但传统切削液（水基或油基切削液）化学成分中的有害物质Cl、P、S等，会对人体和周围环境造成不同程度的危害，且施加过程消耗大量切削液，大大增加了切削液的处理和回收成本。

在绿色切削液技术研究方面，微量润滑（minimal quantity lubrication，MQL）技术以其高效的润滑冷却和绿色节能的特点，日渐成为国内外学者所关注的焦点之一。GODLEVSKI等［2］在文献［3］的基础上分析了切削液进入切削区的机理；OBIKAWA等［4］认为高压空气促进了切削液进入切削区域，因此MQL技术相比传统润滑更能减小刀具磨损；BANERJEE等［5］利用有限元分析软件，研究了MQL对摩擦特性的影响；WANG等［6］对比分析了干切削和MQL技术对铣削铬镍铁合金的影响；ZHANG等［7］详细分析了4种润滑条件下，磨削45钢制工件的润滑效果；TASDELEN等［8］研究了3种润滑条件（MQL、压缩空气、乳化液）对钻削性能的影响，主要分析了磨损、切屑接触情况、切削力、转矩、表面粗糙度等与润滑条件的关系；PEREIRA等［9］将低温冷却技术与MQL技术结合用于车削美制304钢中，相比于干切削可提高刀具寿命（50%）和切削速度（30%）；GIASIN等［10］研究了钻削GLARE纤维金属层压制品时采用低温冷却技术和MQL技术的影响；TAZEHKANDI等［11］研究了切削液的雾化与液氮结合的润滑方式对加工铬镍铁合金的影响；SABERI等［12］通过数值模拟MQL技术的传热机制，认为MQL技术在冷却作用上存在缺陷。上述文献所述的研究内容主要应用于车削、铣削和钻削等工艺，这些切削工艺中切削液可直接作用于切削加工区域。金属带锯锯切过程因其特殊的薄板形刀具和狭小的锯缝（锯切形成的切削缝隙），切削液不易直接作用于锯齿前后刀面，只能依靠切削液液滴在锯齿上的黏附特性，间接进入切削加工区域。基于锯切工艺的特殊性，MQL技术对金属带锯锯切性能的影响亟待进一步研究。

本文为了探索新型金属带锯绿色锯切工艺，即超声水雾作用对锯切负载的影响，设计了基于超声水雾直喷式的带锯锯切微量润滑系统，并通过不同冷却润滑条件（干切削和冲刷切削）下的锯切负载特性对比，详细研究了超声水雾作用对锯切负载的影响。

1 实验研究

1.1 实验设备及测量装置

如图1所示，超声水雾直喷式微量润滑实验系统由金属带锯床、超声水雾直喷系统、夹具系统和锯切负载数据采集系统等部分组成。

（1）金属带锯床为晨龙G4230/50双柱式卧式带锯床，其主电机功率为3 kW，锯带轮直径为450 mm，两锯带轮中心距为1 380 mm，带锯线速度vc最大为70 m/min，锯切进给速度vf最大为5 mm/min。

（2）超声水雾直喷系统由振荡电路、陶瓷雾化片、海绵棒、储水箱以及安装支架等组成。系统主要通过振荡电路（振荡频率为1.7 MHz）使陶瓷雾化片产生高频谐振，从而将水基切削液雾化为1～5μm的微小液粒，喷射流量为0.15～0.25 mL/min。该系统通过安装支架固定于带锯条正下方，喷雾口直接对准锯齿刀刃。

图1 实验系统Fig.1 Experimental system

（3）锯切负载数据采集系统由工件夹具、Kistler®9119A三向力传感器（量程±2 kN）、Kistler®5080A多通道电荷放大器、Kistler®5679A数据采集系统（最高采样频率为5 kHz）以及Dynoware软件组成。其中工件夹具安装在三向力传感器上，并固定于带锯床工作台，用于采集锯切三向锯切负载Fx、Fy和Fz（Fx表示主切削力，Fy表示锯条侧面振动对工件产生的作用力，Fz表示进给力）。

1.2 实验材料

锯切实验刀具采用Wists M 42型3/4TPI双金属带锯条，其中基带材料为B318，锯齿材料为M42，锯齿硬度为HRC67-69。锯条具体尺寸：宽34 mm，厚1.1 mm，总长4 350 mm。实验工件为长方体形的碳素钢Q235，具体尺寸为25 mm×70 mm×50 mm（长×宽×高）。实验所用切削液为普通生活用水。

1.3 实验方案

实验依次在干切削、冲刷和超声水雾直喷3种润滑条件下进行。实验参数见表1。实验过程考虑锯切负载的低频特性（0～100 Hz），同时兼顾减少高频信号干扰，锯切负载数据采集系统的采样频率选取为2 kHz。

表1 实验参数设计Tab.1 Design of experimental parameters

2 实验结果

通过10次锯切实验，获得了重复性较好的实验结果。

2.1 3种润滑条件下的锯切负载Fx

带锯线速度vc=30 m/min、锯切进给速度vf=1 mm/min时3种润滑条件下的主切削力（锯切负载）见图2，可以看出，3种润滑条件下Fx的变化趋势相近，但超声水雾润滑条件下的Fx无论是最大值还是均值都是最小的。

图2 3种润滑条件下的主切削力F xFig.2 The main cutting force F x under three lubrication conditions

图3 为3种润滑条件下锯切负载数据在采样时间10 s（20 000个数据）内的统计直方图，横轴为Fx，采用等组距分组将数据分为10组，组距为40 N。纵轴为Fx在采样的20 000个数据内出现的次数。从图3中可以看出，3种润滑条件下主切削力数值分布均服从正态分布，干切削、冲刷和超声水雾作用下的主切屑力Fx的均值分别约为241 N、166 N和114 N，方差分别为26.2 N、26.2 N和27.3 N。可见，超声水雾作用下锯切主切削力Fx的均值最小，为干切削作用时Fx均值的53%，冲刷作用时Fx均值的31%。从主切削力方差数值对比也可以看出，3种润滑方式下主切削力的波动情况较为一致。

图3 3种润滑条件下的主切削力F x的概率分布Fig.3 Probability distribution of the main cutting force Fx under three lubrication conditions

2.2 3种润滑条件下的切屑形态

3种润滑条件下的锯切切屑形态见图4。对比3种锯屑形态，可得：①干切削作用下切屑的最大螺旋曲率半径约500μm，其圈数不到1.25，且边缘存在明显的毛刺；②冲刷作用下切屑的最大螺旋曲率半径约400μm，其圈数达到1.5，且边缘没有明显的毛刺；③超声水雾作用下切屑的最大螺旋曲率半径约300μm，其圈数大于2，且边缘没有明显的毛刺。

图4 3种润滑方式下的锯切切屑形态Fig.4 Chip shape under three lubrication conditions

3 实验结果讨论

3.1 超声水雾的润湿增强作用

为了研究切削液在冲刷和超声水雾施加方式下对锯齿材料表面的润湿效果，采用基恩士高速摄像仪（主机型号VW-9000，镜头型号VHZ50L），对两种施加方式下切削液液滴对锯齿材料表面的润湿效果进行了拍摄和测量，镜头放大倍数为500，视场为640μm×480μm，拍摄帧率为每秒1 000帧。

（1）超声水雾作用下切削液液滴在锯齿材料表面的形成过程见图5，完成一颗约5μL大小的液滴全程约5 ms，依次经由约5μm小液滴附着、增多、连通扩大和汇集成大液滴的润湿过程。这种润湿过程可以称之为“微观润湿”过程，但是，在冲刷作用下却没有此现象出现。

图5 超声水雾作用下的液滴形成过程Fig.5 Droplet formation process under ultrasonic atomization

（2）观察冲刷和超声水雾作用下附着的切削液液滴，见图6。超声水雾作用下液滴与带锯接触表面存在微米级的小气泡，这些微小气泡正是锯齿材料表面没有被液滴充分微观润湿的体现，而包含这些微小气泡的区域称为微观未充分润湿区域，无气泡区域为微观充分润湿区域；而冲刷作用下锯齿材料表面仅有宏观润湿现象，并没有微观润湿现象。

图6 两种润滑方式下形成的液滴内部的情况Fig.6 The internal situation of the droplets under two lubrication conditions

（3）观察冲刷和超声水雾作用下锯齿材料表面形成的相同体积（5μL）大小的切削液液滴，见图7，冲刷作用形成的液滴与带锯表面的润湿角θ1=70°，超声水雾作用形成的液滴与带锯表面的润湿角θ2=40°。

图7 两种施加方式下附着液滴的润湿角Fig.7 Wetting angle of the droplets under two lubrication conditions

以上观察结果表明：冲刷作用下，液滴对锯齿材料表面的润湿过程相当于液滴与固-气复合表面的润湿作用；超声水雾作用下液滴对锯齿材料表面的润湿过程发生了改变，即超声水雾产生的微米级小液滴，易进入锯齿材料粗糙表面的亚毫米和微米级凹坑，使后续液滴的润湿过程由液滴与固-气表面作用向液滴与固-液复合表面作用转变，从而使得附着润湿角减小。液体的润湿性是指液体在固体表面的铺展或聚集的能力，一般通过测量润湿角来反映液体在固体表面的润湿性，润湿角越小表明液体对固体的润湿程度越高［13］。实验显示超声水雾作用下在锯齿材料表面形成的液滴具有更小的润湿角，因此超声水雾作用下液滴对锯齿表面具有更好的润湿效果［14-15］。