低温微量润滑刀具耐用度试验研究

覃孟扬，徐兰英，潘小莉，梁传建

（1.玉林师范学院物理与电信工程学院，广西 玉林 537000；2.广东技术师范大学机电学院，广东 广州 510635）

1 引言

微量润滑（Minimal Quantity Lubrication，简称MQL）的润滑液使用量仅为传统浇注润滑的1%，环保效果等同于（准）干切削[1]，是极具推广前途的绿色加工技术，在学术界和工程界都得到了高度重视。在学术研究和工程实际应用中，发现常温MQL在普通金属切削中有良好的冷却润滑效果，和浇注润滑接近，起到替代作用，但在切削难加工材料时，过高切削温度使刀具表面的润滑油膜失去润滑效果，刀具耐用度明显小于浇注润滑。因此学界提出低温微量润滑技术（Cryogenic Minimal Quantity Lubrication，简称CMQL），通过大幅降低压缩空气的温度，增加切削区的换热强度，改善换热效果；同时换热效果改善又可以提高刀具表面润滑油膜的形成能力，提高CMQL冷却润滑性能。CMQL是一种复合润滑技术，同时具有MQL和低温冷风切削特点，国内外学者对其切削机理进行了大量研究。文献[1]研究低温微量润滑高速铣削刀具磨损，文献[2]通过毛细管研究其渗透性，文献[3]研究CMQL不锈钢加工的残余应力、粗糙度和加工表面形貌，文献[4]研究高温合金CMQL插铣切削力，文献[5]研究CMQL铣削刀具寿命，文献[6]对CMQL 切削镍基高温合金进行仿真研究。文献[7-8]分别研究了CMQL车削和铣削的切削力和切削温度。由于受制冷设备限制，有关CMQL温度对刀具耐用度影响研究往往限于单一温度状态，缺乏对不同CMQL温度的全面研究；也没有发现CMQL刀具内/外喷射油雾对刀具耐用度影响的研究，所以无法全面认识CMQL加工机理，不利于CMQL推广应用，因而需要更全面深入研究相关问题。本研究利用可调节温度的CMQL装置，分别设定不同的切削参数、润滑方式（干切削/浇注润滑/不同温度CMQL）和油雾喷射方式（刀具内/外喷射），对镍基高温合金GH4169进行车削试验，测量不同工艺条件的刀具耐用度。通过对比分析，了解不同工艺设置对刀具耐用度的影响规律。研究结果有助于深入了解CMQL 加工机理，同时为优化CMQL 工艺设定，改善难加工材料切削性能提供一定试验依据。

2 试验

2.1 CMQL装置

为了获得一个比较低的冷却温度，同时实现温度可调，本试验CMQL 制冷采用了双重制冷压缩机制冷方案。CMQL 装置的结构原理，如图1所示。空气压缩后，经过压缩机两次制冷降温，可以获得最低温度为-60℃的低温压缩气体。通过调节制冷压缩机工作功率，实现调节温度大小。低温压缩空气和脉冲供液器输送的微量润滑液在管路中汇合，然后经喷嘴喷出，形成低温油雾。

图1 CMQL装置结构原理Fig.1 Structural Schematic of CMQL Device

2.2 试验设定

试验现场，如图2所示。试验方案，如表1所示。加工工艺为车削，机床为卧式车床CA6140。试验材料为镍基高温合金GH4169，材料热力学性能，如表2所示。所采用刀具为TiAlN涂层硬质合金可转位车刀，正三角形刀片。刀体有内部通路，可以实现刀具内或外喷射润滑油雾。全部加工用这把刀具完成，每改变一次工艺条件，刀片转位换新切削角或换新刀片。CMQL由空气压缩机提供压缩气体，压强为0.8MPa；润滑液采用脉冲微量供液，频率为10Hz，用量为8mL/h；润滑液为耐低温环保润滑液，结冰点为-68℃。浇注润滑采用和CMQL相同的润滑液，用量约为2.5L/min。

图2 试验现场Fig.2 Experimental Scene

表1 试验方案Tab.1 Experimental Scheme

表2 GH4169合金热力学性能Tab.2 Thermodynamic Properties of GH4169 Alloy

2.3 刀具耐用度测量

用放大率为20倍的工业显微镜观察和测量刀具后刀面磨损状况，磨损带宽度VBmax=0.2mm作为刀具磨钝标准，总切削时间为刀具耐用度。

3 结果和讨论

试验结果，如图3所示。图中可以看出，在25℃（常温）的情况下，无论粗加工还是精加工，浇注润滑刀具耐用度最好，干切削最差，CMQL明显小于浇注润滑。当CMQL温度为常温，其实就是普通MQL，这和以往研究发现切削难加工材料时，MQL刀具耐用度明显比浇注润滑差的结论[5]相符。

图3 刀具耐用度Fig.3 Tool Durability

这种现象的根本原因是MQL 冷却能力不足造成。MQL 油雾是由大量气体和少量颗粒状液滴组成，气体比热容小，能吸收的热量也少，MQL冷却主要靠液滴相变吸热进行，而MQL的润滑液用量很少，相变吸热也少，所以MQL综合冷却能力是有限的，远小于浇注润滑。普通金属切削产生的切削热较小，没有超出MQL冷却能力范围，MQL冷却润滑效果和浇注润滑相当。切削GH4169合金时，切削热很大，超出了MQL的最大冷却能力，切削变形区有极高温度，微小润滑液滴受热挥发快，难于形成润滑油膜，或者形成润滑油膜也无法长时间存在，导致摩擦恶化，磨损加剧，刀具耐用度较小。浇注润滑由于润滑液用量多，比热容大，能有效降低切削区温度，同时大量润滑液还能及时补充受热挥发，所以浇注润滑在刀面能有效形成润滑油膜，减轻刀具磨损。

随着CMQL温度的下降，刀具耐用度逐渐增加，CMQL温度在粗加工为0℃和在精加工为-5℃时，刀具耐用度和浇注润滑相当。在CMQL温度为-60℃和刀具内喷射油雾条件下，粗加工有最大刀具耐用度12.4min，精加工有最大刀具耐用度31.2min，两者都远大于相应干切削和浇注润滑。这显示降低CMQL温度可以明显地提升刀具耐用度，温度越低，刀具耐用度越大。另外，当其他工艺条件相同，精加工刀具耐用度大于粗加工。

低温压缩空气不但提高了CMQL的冷却能力，通过热传递降低切削区温度，同时也通过降低微小润滑液滴的温度，降低受热发挥程度，更容易形成润滑油膜或者提高润滑油膜的存在时间，从而减轻刀具-工件-切屑之间的摩擦，提高刀具的耐用度。理论上知道，CMQL温度越低，冷却能力就越强，切削区润滑油膜越容易生成，刀具耐用度就越高。但无论温度是多少，CMQL对摩擦仅起到一个改善的作用，刀具磨损依然受到材料、刀具和切削参数的影响，所以相同切削条件下，精加工刀具耐用度都明显大于粗加工。

CMQL 温度对两组试验的刀具耐用度影响存在一定差异。粗加工中，CMQL温度大于-40℃时，刀具耐用度变化率比较大，显示温度对刀具耐用度影响较大；CMQL温度小于-40℃后，刀具耐用度变化比较平缓，此时温度对刀具耐用度影响变小。精加工刀具耐用度在整个温度范围都有着相似的变化率，说明不同温度对刀具耐用度的影响几乎一样。

CMQL冷却润滑性能的发挥，要受实际工艺条件限制。粗加工切削剧烈，发热量大，更容易受CMQL的影响，而且粗加工切削速度慢、刀具-工件-切屑接触面粗糙，也更有利CMQL油雾渗透到切削区深处形成油膜，所以在-40℃前，CMQL温度越低，润滑油膜生成能力越强，刀具耐用度上升速度快。在-40℃左右，切削热和CMQL 冷却能力形成平衡，刀具表面生成比较稳定润滑油膜，摩擦也趋于稳定。这时候即使再降低CMQL温度，润滑油膜变化不大，刀具耐用度提升缓慢。说明CMQL温度有一个低温临界值，当温度低于这个值，CMQL对刀具耐用度影响减小。

GH4169是难加工材料，即使是精加工，切削热也比较大，而且其加工平稳、切削速度高和加工表面比较光滑的特点，都不利于油雾渗透，也就不利于摩擦面稳定润滑油膜的形成。所以整个试验中，精加工刀具耐用度的提高速度比粗加工-40℃前段要低，受CMQL的影响要小于粗加工；而且一直到-60℃为止，精加工刀具耐用度的变化率几乎不变，显示摩擦表面尚无形成比较稳定润滑油膜，CMQL温度对刀具耐用度影响保持不变。两种加工差异说明，CMQL对刀具耐用度影响的低温临界值和工艺条件有关，本试验的精加工低温临界值低于-60℃。试验结果还显示，无论粗加工还是精加工，同样的CMQL温度，刀具内喷射油雾得到的刀具耐用度比外喷射要大；当CMQL温度越低，两者差距越大。

因为CMQL刀具内喷射时，全部低温油雾都要经过刀体，从前刀面小孔喷出，这必然降低整个刀体温度，导致刀体对切削热的分流比例要大于外喷射。外喷射时仅有部分油雾参与冷却，冷能利用率低。就是说当其他工艺参数相同，刀具内喷射的冷却能力强于外喷射，更有利于润滑油膜的形成，容易获得较大的刀具耐用度；而且温度越低，两者冷却能力差异就越大，刀具耐用度差异也就越大。另外内喷射时，油雾紧贴前刀面对着刀具-切屑摩擦面直接喷射，比外喷射更具渗透性，冷却润滑效果更好。所以在提升刀具耐用度方面，刀具内喷射要优于外喷射。

根据上述，在摩擦面形成稳定润滑油膜前，降低CMQL温度对提高刀具耐用度的作用明显；当润滑油膜稳定后，CMQL温度对刀具耐用度作用不明显。CMQL对刀具耐用度的影响，除了温度以外，和其他工艺设定也有很大关系。这些工艺设定直接或间接影响CMQL 渗透性和冷却性，也就间接影响刀具耐用度。因此，CMQL对切削难加工材料的刀具耐用度的影响，是一个多因素综合结果，温度是其中一个主要因素，下一步还可以对其他工艺因素影响进行研究。

4 结论

本研究在不同的CMQL条件下切削镍基高温合金GH4169，分析对比刀具耐用度，得到以下结论：（1）在常温，无论粗加工还是精加工，浇注润滑的刀具耐用度最好，MQL耐用度要小于浇注润滑；随着压缩气体温度降低，CMQL刀具耐用度大于浇注润滑，CMQL可以改善镍基高温合金的切削性能。（2）CMQL温度对镍基高温合金切削影响很大，温度越低，刀具耐用度越大；CMQL影响作用受其他工艺条件限制，相同CMQL温度对粗精加工的刀具耐用度影响效果存在差异。（3）CMQL对刀具耐用度的影响和摩擦面稳定润滑油膜的形成有关，稳定润滑油膜形成前，CMQL影响大；稳定润滑油膜形成后，CMQL影响变小。（4）CMQL内喷射油雾的刀具耐用度大于外喷射，而且CMQL温度越低，两者差距越大。