植物油切削液在拉削加工过程中的应用研究*

2020-03-04杨永丰屠春晖何利华

机电工程 2020年1期

杨永丰，屠春晖，倪敬,*，何利华

(1.杭州电子科技大学机械工程学院，浙江杭州 310018;2.浙江百立机械有限公司,浙江绍兴 312000)

0 引言

拉削加工是采用拉刀，逐齿依次从工件上切下很薄的金属层，使表面达到较高的尺寸精度和较低的粗糙度的加工方式，广泛应用于航空航天、能源、模具和汽车等行业[1-2]。拉削加工过程中，因为其单次拉削负载较大(超过10 kN)，刀-工-屑接触区域温度较高，在加工过程中通常都会向加工区域施加切削液，以降低摩擦磨损，提高加工质量。

工业切削液多以矿物油为主要成分，并加入润湿剂、极压添加剂等，具有一定毒性，在使用中会危害操作工人身体健康，同时，其后续的回收处理也会造成一定的环境污染[3]。植物油具有低毒性、环境友好性以及良好的可降解性等优点，因此，为拉削加工找寻一种合适的植物油切削液，具有非常重要的理论与工程实际意义。

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优于矿物油[4]。ELGNEMI T等[5]证明了在切削过程中，植物油在减少切削力和改善刀具磨损方面发挥了重要作用；HOSSEINI T A等[6]采用了可生物降解植物油与压缩空气相结合的喷射模式来车削Inconel 706，与溢流模式相比，该方式减少了切削液的消耗，降低了切削力、切削温度和工件表面粗糙度；SHOKRANI A等[7]在铣削Inconel 718时，使用了由低温液氮和MQL菜籽油组成的新型混合冷却系统，结果表明：该混合方式与传统冷却方式相比，刀具寿命有着成倍的提高；AJAY V B S等[8]在AISI 1040钢的车削过程中，使用了MQL作用下的椰子油，发现椰子油具有良好的润滑性，易于在刀具和工件上吸附，减小了刀具磨损和摩擦系数，提高了工件的表面质量；SAHAB A S A等[9]使用了离子液体混合麻风树油作为切削液来车削AISI 1045钢，发现了该液体有良好的润滑性能，降低了切削力和切削温度；LI B K等[10]在磨削中采用植物油为磨削液，对高温镍合金进行了研磨温度和能量比系数的理论和实验研究，结果表明：棕榈油最适合作为磨削中的MQL基础油；ELMUNAFI M H S等[11]使用蓖麻油作为切削液来车削硬化AISI 420钢，与干切削相比，应用MQL的蓖麻油在表面粗糙度、切削力和刀具寿命方面具有了更好的效果。

上述研究大都集中于植物油在车、铣、钻、磨等切削负载较小，且切削液容易进入刀具和工件接触区域的应用场合中，而对于负载较大的，且处于封闭状态的拉削加工过程中使用植物油，还鲜有报道，且没有对加工中，应用不同类型的植物油进行性能比较评价。

本文通过微量润滑喷射工艺，将5种植物油应用于拉削加工过程中，与传统拉削工况下的负载和表面粗糙度进行对比，分析植物油的分子结构，以获得一种适用于拉削加工过程的绿色植物油切削液。

1 拉削实验

1.1 拉削实验系统

该实验采用的拉削实验系统如图1所示。

图1 实验系统示意图

图1中，实验系统采用的是LG612YA-800卧式内孔拉床，其各类参数为：

额定拉削负载为20 kN；最大拉削行程为800 mm；额定拉削速度为80 mm/s；主缸参数为80×45-800；主缸额定油压为6 MPa；主缸额定流量为100 L/min。

在拉削实验中，使用型号为01A3-STD-LLMB-600的Accu-lube微量润滑喷射系统，将切削液喷入切削区域。该喷射系统的润滑油剂量为0.003 mL/泵冲程，可以在1.25 ml/h～150 ml/h的范围内调节。喷射系统工作时，使用气压为0.6 MPa的稳定气压，将切削液喷射至拉削加工区域。

实验数据采集部分主要由力传感器和数据采集仪组成，具体为：

(1)力传感器由4个压力传感器CTY204和1个放大板组成，用于检测拉削负载，并将信息放大后传输至数据采集仪。对于力传感器，其输出电压为0～10 V，最大负载为2 t，灵敏度为2 mV/V，精度为0.1%F·S，频率响应为50 Hz；

(2)数据采集仪选用uT3408FRS-ICP。该采集仪具有8通道模拟，2通道键相，采样频率设置为10 240 Hz。

采集分析软件使用uTekAcqu V2.0&uTekSs V2004。

1.2 拉削刀具与工件

实验中使用的拉刀和工件分别如图2所示。

图2 刀具、工件及喷嘴示意图

图2中，实验使用的拉刀参数为：

材料为高速工具钢6542(W6Mo5Cr4V2)；

拉刀总长L=600 mm，宽度b=16 mm，前高h1=35.04 mm，后高h50=36.74 mm；

拉刀表面排布50个刀齿，前角γ0=12°，后角ɑ0=6°，刀齿间距p=6 mm。

根据齿升量δi,可将拉削过程分为粗拉加工、半精拉加工、精拉加工3部分；刀齿数分别为：粗拉部分为40，半精拉部分和精拉部分都为5。粗加工和半精加工部分刀齿后刀面，开设有均布的等宽等深分屑槽，呈3分屑槽与4分屑槽交替分布。

实验中使用的工件参数为：

材料为AISI 1045结构钢，其外径ED=90 mm，内径ID=43 mm，工件厚度lW=20 mm；拉削后切深δm=1.88 mm。

1.3 实验过程

本文分别采用5种不同植物油和传统商用拉削油进行拉削实验。5种不同植物油分别为：纯蓖麻油、玉米油、芝麻油、橄榄油和大豆油(罗恩试剂)。实验中，通过MQL系统，将不同植物油喷射到刀具和工件的接触区域。

为了保证该实验的稳定性，排除系统误差，本研究将MQL喷嘴对准拉刀的第20个刀齿，MQL装置的喷嘴与拉刀的倾角β=30°，将拉刀分为前半段干拉削和后半段切削油拉削，让每次拉削的前半段为对照。

同时，也进行了前后半段都为干拉削的情况作为对照。

在使用各组润滑油的情况下，实验各重复3次。

2 不同植物油拉削实验结果

2.1 拉削负载

拉削负载是拉削工艺性能优劣的最为直接的评价之一，该指标直接反应拉削过程的难易程度。

不同的拉削工况下，拉削负载的信号反馈也有不同。

将采集仪采集的不同工况下的负载信号进行处理后，得到的结果如图3所示。

图3 不同拉削工况下的负载

图3中，由于刀齿间距p=6 mm，工件厚度lW=20 mm，在拉削过程中，工件和刀具的啮合齿数为3齿与4齿交替，在拉削负载上表现为高低起伏，在4齿啮合时呈现高值，在3齿啮合时呈现低值，即在拉削阶段，负载曲线中会存在波峰与波谷，且在后半段喷射切削油后，负载明显降低。

该实验将选取较为稳定的前后阶段数据，即图3中前后虚线框中的12个波峰与波谷，求平均值作为拉削负载，并进行对比分析，得到的结果如图4所示。

图4 不同拉削工况下的负载

图4(a，b)中，ΔF为前半段干拉削均值与后半段油拉削均值的差值，其值大小表明了植物油对拉削负载的降低程度。

不同植物油作用下的ΔF值如图4(c)所示。从图4(c)中可以看出：波峰与波谷的负载变化趋势一致，蓖麻油的负载降低最小，波峰值降低412 N，波谷值降低281 N。

传统油的波峰值降低516 N，波谷值降低432 N，而芝麻油的负载降低程度最大，波峰值降低898 N，波谷值降低705 N。这与传统油相比，负载降低程度分别增加了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参数之一，体现了加工后的加工质量与加工精度。

本文对于7种拉削工况，采用SJ-210表面粗糙度仪，对被加工工件的表面粗糙度进行3次测量，然后计算其平均值，最后绘制成柱形图，如图5 所示。

图5 不同拉削工况下的表面粗糙度

从图5中可以看出：

(1)表面粗糙度的变化趋势与负载降低程度相反，即较小的粗糙度值对应着较大程度的负载降低；

(2)在传统油作用下的粗糙度为1.098 μm，而芝麻油的应用下，粗糙度值在几种工况中最小为0.855 μm，这与传统油的粗糙度值相比减小了22.1%，即MQL芝麻油的应用，可以提高22.1%的表面质量。

3 实验结果分析

对于拉削实验，植物油的分子结构会对拉削负载和表面粗糙度产生不同的影响。拉刀拉削工件产生摩擦时，这一过程中油膜承受较大负荷，导致保持流体润滑的可能性较小，几乎都呈现为边界润滑状态。

在边界润滑状态下，植物油在拉削区域，通过物理吸附和化学反应成膜来实现润滑作用，而这与植物油的分子结构特性相关[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，其脂肪酸种类和含量各不相同，从而影响了其本身的物理化学性能，以及应用于拉削加工时的润滑冷却性能。

该实验所采用的5种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(%)

脂肪酸又分为饱和脂肪酸和不饱和脂肪酸。碳链中没有不饱和键的脂肪酸称为饱和脂肪酸，而碳链中含双键的脂肪酸称为不饱和脂肪酸。

表1中，油酸、亚油酸、亚麻酸、蓖麻酸是不饱和脂肪酸，硬脂酸和棕榈酸则是饱和脂肪酸。

这6种脂肪酸的分子结构示意图，以及油酸(不饱和脂肪酸)和硬脂酸(饱和脂肪酸)的球棍模型如图6所示。

图6 脂肪酸的分子结构和球棍模型

芝麻油有着最大程度的负载降低和最低的表面粗糙度，这是由于芝麻油中的饱和脂肪酸，特别是硬脂酸在5种油中含量较高。

已有的研究结果表明：饱和脂肪酸，尤其是硬脂酸对摩擦和磨损的减少具有显着影响，其通过增强分子之间的作用力，为油膜提供更为强有力的保护[16]。

蓖麻油的不饱和脂肪酸含量较高，其主要成分是蓖麻酸，比其他植物油多了-OH基团，其极性比其他植物油强，金属吸附及润滑的能力十分优异，很容易吸附在金属摩擦表面形成膜。但蓖麻油粘度较高(蓖麻油在40 ℃时，运动粘度为252 mm2/s，而其他植物油粘度值都在30 mm2/s～40 mm2/s内)，不易进入刀具与工件接触的狭窄楔形区，因此，负载降低程度较小，其表面粗糙度在几种油中是最高。

综上所述，芝麻油在5种植物油中有着最好的拉削性能。芝麻油是一种植物油，没有传统油的复杂制作工艺和配方，也不含传统油的毒性成分。将其应用到拉削加工中，对环境友好，回收处理较传统油方便；同时，其不仅具有良好的实用性与经济性，且与实验采用的MQL方式和传统浇注式供液相比，也可以减小切削液的使用量。