MQCL在不锈钢加工中的断屑机理分析

黄霜

摘要：本文在MQCL条件下及浇注式冷却条件下对不锈钢展开高速精车削实验，采集两种冷却条件下的切屑形态进行对比分析。研究表明，MQCL条件有效地改善了不锈钢的断屑能力，这是因为低温降低了不锈钢切屑的塑性，同时在强力的冷风作用下，切屑受到较大的拉力而更容易折断。

Abstract： In this paper， the high-speed finish turning experiments of stainless steel were carried out under mqcl and pouring cooling conditions， and the chip morphology under two cooling conditions was collected and analyzed. The results show that MQCL can effectively improve the chip breaking ability of stainless steel， which is because the plasticity of stainless steel chip is reduced by low temperature， and the chip is more easily broken under the action of strong cold air.

关键词：MQCL;切屑形态;断屑机理

Key words： MQCL;chip morphology;chip breaking mechanism

中图分类号：TG52                                       文献标识码：A                                     文章编号：1674-957X（2020）20-0084-02

0  引言

近年来，奥氏体不锈钢因其强度高、耐腐蚀性等优异性能被广泛用于航空航天、汽车、模具、轮机等不同加工领域中。但因奥氏体不锈钢具有塑性和韧性大，切削温度高，在切削加工中存在切屑不易折断、易形成积屑瘤等问题，从而刮伤工件表面和缠绕、粘接刀具，导致工件表面光洁度差和刀具磨损大。低温微量润滑（MQCL）是将压缩后的高压气体冷却再与极微量的切削液混合汽化后，形成雾状的油汽混合物，喷射到加工区域，从而达到降温冷却和润滑的双重目的[1]。低温冷风切削也属于一种解决污染问题的绿色加工技术，通常采用-10～-30℃的冷风强烈冲刷切削区。部分研究表明，低温冷风切削可以大大降低切削温度，提高切屑脆性，改善断屑能力，提高加工表面的质量，适合不锈钢、钛合金等难加工材料的切削[2]。Radoslaw等学者研究了在MQCL环境下切削低碳钢的切屑形态与加工表面质量，实验表明在MQCL环境下断屑能力和加工表面质量得到改善[3]。因此，研究在低温微量润滑条件下奥氏体不锈钢的断屑机理具有重要意义。

1  实验条件

①工件材料：选用奥氏体304不锈钢，国内牌号为0Cr18Ni9，其外径为100mm，长度为400mm。

②机床参数：此次实验机床选择济南第一机床厂CK6136i型号车床，i系列机床为整体式床座，使机床具有足够高的阻尼特性、刚度以及强度，其质量可靠、性能先进、适应性广泛，能满足高速加工时保证加工质量和提高刀具寿命的需要。

③刀具参数：不锈钢切削时因存在散热条件差、加工硬化严重、易粘刀等问题，因此，不锈钢切削刀具材料应该具有良好的耐热、耐磨性能和与不锈钢亲和作用小等特点。实验采用刀具采用丰泰数控公司的GaoMeiKe系列涂层硬质合金刀具。

④切削条件：本次实验基于自主搭建的低温微量润滑切削系统，选取不同的冷风温度T、冷风速度W、切削液流量Q及喷射角度a 对不锈钢展开25组高速车削实验，其中冷风温度、冷风速度、切削液流量分别选用五个水平，喷射角度选用前刀面（RF）、主后刀面（MRF）、副后刀面（SRF）三个水平，并以相同的切削参数开展浇注式冷却对比切削实验，采集每一组切削试验的切屑形态。

2  切屑形态对比分析

本文选取了浇注式冷却组的切屑形态与低温微量润滑条件下2组实验切屑形态进行对比分析。（图2）

可以看出，在浇注式冷却条件下，切屑连绵不断，呈螺旋状生长，不能自动断屑，极易发生缠绕现象，从而划伤工件已加工表面和使刀具受到破坏。当前实验组表面粗糙度值Ra=2.838μm。这是因为不锈钢塑性大，且加工过程中切削温度高，使切屑材料软化，当前浇注式冷却条件下，冷却润滑效果不佳。同时，切削液流速低对切屑的冲击力度相对较低，不能较好的助力于切屑脱离工件表面。

图3为低温微量润滑条件下的第16组切削实验切屑形态。当前组冷却参数为：冷风速度W=11.5m/s，冷风温度T=10℃，切削液流量Q=300ml/h，喷射角度为前刀面RF，表面粗糙度值Ra=0.982μm。

从图3中可以看出，切屑形态依然呈螺旋状生长，但长度已降至10cm左右，基本能实现自动断屑，与浇注式冷却润滑相比断屑情况明显改善。这是因为当前实验条件下冷风温度为10℃，能一定程度上降低切屑的塑形，提高切屑的脆性，并且當前冷风速度为11.5m/s，风速较快，能够将切屑快速吹离工件表面。

圖4为MQCL条件下第12组实验切屑。当前组实验冷风温度T=0℃，冷风速度W=5.5m/s，切削液流量Q=300ml/h，喷射角度为前刀面RF。表面粗糙度值Ra=0.972μm。

从图4中可以看出，切屑长度已明显变短，相比第16组切屑长度更为短一些，平均为4-5cm左右。这是因为当前实验组的冷风温度为0℃，切屑脆性得以进一步提高，在冷风的作用下更易被折断。本组实验条件切屑形态说明当前切削工况较好，断屑能力得以提高。

3  结语

本文通过对比分析浇注式冷却条件下与MQCL条件下高速车削奥氏体不锈钢时的切屑形态，证实了低温微量润滑技术使不锈钢断屑情况得以改善，低温微量润滑条件下切削的断屑效果明显好于浇注式冷却条件。这是由于不锈钢为塑性材料，易形成连续不断的切屑，而在低温微量润滑条件下切削时，由于冷风的加入，换热效果得到极大的提高，降低了切削温度，从而降低了切屑的塑性，减轻了不锈钢材料的软化。同时，低温冷风是在强大的气流冲击作用下进行的，此时，切屑受到较大的拉力而被轻易地拉断，使断屑情况得到改善。

参考文献：

[1]赵新窑.低温微量润滑条件下涂层刀具车削不锈钢的试验研究[D].西安：西安理工大学，2017.

[2]Su Y， He N， Li L， et al.An experimental investigation of effects of cooling/lubrication conditions on tool wear in high-speed end milling of Ti-6Al-4V [J].Wear，2006，261：760-766.

[3]Radoslaw M W， Stanislaw L， Girzegorz K.  Effect of Minimum Quantity Cooling Lubrication （MQCL） on Chip Morphology and Surface Roughness in Turning Low Carbon Steels[J].Engineering Solutions and Technologies in Manufacturing， 2014，657： 38-42.