粒度对颗粒流滴注润滑车削影响实验_张智林.pdf

年 月第 卷 第 期机床与液压 .：.本文引用格式：张智林，徐兰英，覃孟扬，等粒度对颗粒流滴注润滑车削影响实验机床与液压，（）：，（）：收稿日期：基金项目：广东省自然科学基金项目（）作者简介：张智林（），男，硕士，讲师，主要研究领域为先进制造技术及质量控制。：.。通信作者：徐兰英（），女，博士，教授，主要研究方向为金属切削和先进加工技术。：.。粒度对颗粒流滴注润滑车削影响实验张智林，徐兰英，覃孟扬，梁传建，吴伟（.玉林师范学院物理与电信工程学院，广西玉林；.广东技术师范大学机电学院，广东广州）摘要：颗粒流滴注润滑是一种新型绿色切削润滑技术，能解决传统颗粒流切削的颗粒导入问题。为了研究颗粒粒度对切削效果的影响，进行 钢车削实验，用不同粒度的 颗粒流润滑，分析切削力、切削温度、光洁度、刀具寿命和粒度的关系。实验结果显示：粒度影响切削效果，存在最佳粒度，粒度过大或过小都会导致切削效果变差；粒度过大会影响颗粒流渗透进摩擦面，粒度过小则无法适应粗糙及剧烈变动的摩擦面，两者都限制了颗粒流的分离和抹平作用，导致减摩效果变差；采用合理粒度，颗粒流点滴润滑切削效果甚至好于浇注润滑。关键词：颗粒流；润滑；粒度；加工机制中图分类号：，（.，；.，）：，：；前言自 世纪初，颗粒流润滑以独特优势受到越来越多的关注。颗粒流润滑将固体润滑介质以颗粒（粉末）状态直接导入摩擦面，减少摩擦面接触，把滑动摩擦向滚动摩擦转变，从而减少摩擦、降低磨损。该方法被认为是润滑技术的发展方向，受到学界和工程界的重视。把颗粒流润滑应用到金属切削中，对改善切削过程和切削质量有着重要意义，同时还可以减少切削液的使用，是一种绿色加工技术。该技术的关键是颗粒介质的导入。国内外研究者提出了多种颗粒介质输送及导入方式：填涂式、铺粉式、送粉式、流化式、雾化式等。这些方式有不同的改善切削效果，但也产生了新问题，比如颗粒介质消耗太多、成本高和需要专门刀具或复杂输送装置，限制了应用。目前最新颗粒流切削技术是颗粒流点滴润滑，颗粒流切削液以滴注方式，小量、连续、低速和精准地对切削区润滑，通过毛细管吸附作用，导入摩擦面，有效形成颗粒流润滑液膜，同时还发挥固体颗粒和液态润滑液润滑作用，起到良好的复合润滑效果，是目前颗粒流切削简便、高效、安全和低成本的使用方法。但该方法作用机制研究不够，如颗粒类别和粒度对润滑效果影响研究很少，需要进一步全面研究。综上所述，本文作者研究粒度对颗粒流点滴润滑效果的影响。通过实验，在干切削、浇注润滑和不同粒度的颗粒流滴注润滑条件下车削 钢，比较切削力、切削温度、光洁度和刀具寿命差异，了解颗粒粒度对切削过程及加工质量的影响，并探明原因。颗粒流润滑机制固体颗粒（粉末）的润滑机制和传统的液体润滑不一样，由两方面形成：（）通过颗粒对摩擦面的分离作用，形成减摩效果，即隔离相对运动的两摩擦面接触，使滑动摩擦向滚动摩擦转变，改变摩擦性质，减少摩擦；（）颗粒在强力作用下，通过黏附、变形、滑滚、分层开裂，对摩擦面凹凸位进行抹平修复，降低摩擦因数，强化减摩效果。颗粒润滑具有传统固体润滑的摩擦因数小、润滑性能好、无污染、无毒害等特点，特别适合于高温、高压、高运动等严酷工况。固体颗粒和润滑液形成固液混合的颗粒流，在切削加工时可以形成良好的复合润滑效果。首先在润滑液流动性和渗透性的作用下，提高固体颗粒导入摩擦面的渗透力，强化分离和抹平效果；其次所形成的滚动摩擦是湿摩擦，摩擦因数非常小；最后在固体颗粒无法导入的地方，润滑液依然能渗透进去形成润滑膜，实现湿式滑动摩擦，避免剧烈切削运动导致干摩擦存在。所以固液混合的颗粒流具有流动性、自补偿及自适应性，可以适应复杂多变的切削环境，充分发挥颗粒润滑和液态润滑液润滑的复合作用，强化润滑效果，减摩显著，优于固体颗粒流润滑方法和浇注润滑方法。实验.实验方案实验现场见图。加工 工艺为车削，车床为，刀具为硬质合金涂层外圆车刀。试样材料为 钢，形状为直径.、长 棒料。工艺参数见表，所有试样的切削参数和刀具角度相同。切削时测量切削力和切削温度，切削后测量试样加工表面光洁度，并观察刀具磨损状态。图 实验现场.表 工艺参数.参数数值切削速度 （）进给速度 （）切削深度 浇注润滑润滑液用量（）滴注润滑润滑液用量（）滴注润滑滴注频率 颗粒形状球形颗粒粒度，颗粒莫氏硬度颗粒流体（容积）浓度 润滑液类型矿物油环境温度.颗粒流制备颗粒介质为 纳米颗粒。制作颗粒流时，把润滑液和 纳米粒子按 容积比例混合，机械式搅拌 ，再用超声波清洗仪震动混合 ，确保混合均匀，然后 内使用。每次加工新试样，流体重新搅拌震动，确保流体混合状态均匀。.滴注系统采用医学药水点滴系统改装成润滑液滴注系统，颗粒流利用重力自动下滴。滴管附在车床润滑液喷管上，可以跟随刀具移动，保证液注位置相对刀具不变，精确滴注在切削变形区。滴注点滴频率为 ，每 滴体积为 ，折算润滑液用量为.，显著少于浇注润滑的用量 。.试样测量实验系统见图。用自制的自然热电偶车削测温系统测量切削温度 （切削区平均温度）。用压电晶体式三向车削测力系统测量切削力。用接触式表面粗糙度测量仪测量试样加工表面光洁度。用工业显微镜观察刀具磨损状态，以后刀面磨损带宽度 为磨损值，取.为刀具磨钝界限。结果和讨论.切削力试样切削力如图 所示。干切削切削力最大，为，其次是浇注润滑的，颗粒流滴注润滑试样切削力均小于浇注润滑，粒度 试样的切削力最小，仅为 。由于切削参数和刀具角度都一样，所以试样切削力差别是润滑效果差异导致。颗粒流滴注润滑的润滑液用量比浇注润滑少很多，润滑效果却更好，说明不同粒度的 颗粒都发挥了减轻第 期张智林 等：粒度对颗粒流滴注润滑车削影响实验 工刀屑摩擦作用，从而获得更小的切削力。但不同粒度试样的切削力不一样，说明粒度影响减摩效果，影响切削力大小。图 不同实验条件下的切削力.颗粒粒度为 时，切削力最小；大于 时，粒度越大，切削力越大；小于 时，粒度越小，切削力也越大。切削时，刀工屑各个接触面都是处于急剧变化而又紧密贴合状态，粒度过大时，固体颗粒渗透困难，减弱颗粒导入摩擦面数量，降低了颗粒流的减摩作用，导致摩擦力（切削力）变大。粒度越大，这种现象越明显。另外，刀工屑接触面的表面相貌复杂又急剧变化。当粒度过小，无法有效隔离接触面，颗粒对摩擦面的分离能力减弱，减摩作用减小，导致摩擦力（切削力）变大。粒度越小，这种现象越明显。所以对切削力影响而言，颗粒粒度存在一个最佳粒度以获得最小切削力。粒度过大或过小都会让切削力变大。此实验中，最佳粒度是 。.切削温度试样切削温度如图 所示。干切削最大，为，浇注润滑为 ，粒度 试样的切削温度最小，仅为 。颗粒流滴注润滑试样的切削温度均小于干切削，小于或稍大于浇注润滑切削。颗粒流滴注润滑所用润滑液仅为浇注润滑的，热交换能力差，切削温度却小于或接近浇注润滑，说明颗粒流减摩效果显著，能大幅降低摩擦产生的切削热，冷却效果接近或优于传统浇注润滑。粒度不同导致试样切削温度差异，最低切削温度试样的粒度是 ，然后随着粒度增大或减小，试样切削温度逐渐升高。粒度为、时，试样温度甚至大于浇注润滑。原因首先是粒度过大则减弱颗粒流渗透能力，粒度过小则减弱颗粒分离作用，两者都降低减摩作用，导致摩擦热增多，影响到切削温度；其次是滴注润滑所用润滑液少，通过热交换带走的切削热要明显小于浇注润滑。所以当粒度不合理的时候，减摩效果差，摩擦热多，颗粒流滴注润滑的切削温度就可能大于浇注润滑。图 不同实验条件下的切削温度.光洁度试样光洁度如图 所示。干切削光洁度最大，为.，浇注润滑为.，粒度 试样光洁度最小，为.。粒度为、试样的光洁度相差不大，明显小于浇注润滑；粒度为、试样的光洁度相差较大，其中粒度为、试样甚至大于浇注润滑。实验结果说明：粒度对光洁度影响很大，合理的粒度可以获得优于浇注润滑光洁度的加工表面，最佳粒度为 。图 不同实验条件下的光洁度.颗粒流点滴润滑中，颗粒流影响光洁度的机制是固体颗粒的分离减摩、抹平修复作用和液态润滑液的润滑作用。粒度大，颗粒流的渗透力减弱，导致减摩和抹平作用效果差，光洁度变大。如果粒度大到一定程度，颗粒流固体颗粒的减摩和抹平效果很差，液态润滑液的润滑作用没有浇注润滑充分，就会出现光洁度比浇注润滑差的结果。当颗粒粒度太小，无法适应摩擦面的凹凸水平，分离减摩减弱，同时抹平修复效果也变差，光洁度就会趋向变差。.刀具寿命试样刀具工作寿命如图 所示。干切削的刀具寿命最短，为 ，浇注润滑为 。颗粒流点滴润滑试样中，粒度 试样刀具寿命（）小于浇注润滑，其余试样均大于浇注润滑，粒度 试样刀具寿命为 ，是所有试样中最大值。实验结果说明合理粒度的颗粒流点滴润滑能有效延长刀具寿命，效果比浇注润滑好。机床与液压第 卷图 不同实验条件下的刀具寿命.由于分离减摩和抹平修复作用能够有效降低刀具磨损，较低的切削热又降低了对刀具材料性能的负影响，所以颗粒流能明显延长刀具工作寿命。但粒度过大或过小，都不利于分离减摩和抹平修复效果，最终影响刀具寿命，因此也存在最佳粒度现象。试样由于粒度太大，无法有效渗透进摩擦面发挥分离减摩和抹平修复作用，同时液态润滑液的润滑作用又比浇注润滑差，所以刀具寿命反而比浇注润滑短。综上，颗粒流的固体颗粒粒度对切削效果（切削力、切削温度、光洁度、刀具寿命）影响很大。粒度合理，切削效果良好，要好于传统浇注润滑；粒度不合理，切削效果变差，甚至要差于浇注润滑。粒度影响切削效果机制，粒度过大，影响颗粒流渗透进摩擦面，无法发挥分离摩擦面和抹平修复凹凸面作用，减弱了减摩（润滑）效果；粒度太小，无法应对粗糙及剧烈变动的刀工屑摩擦面，严重减弱分离和抹平作用，也体现为减摩（润滑）效果变差。粒度对颗粒流分离和抹平作用的影响，体现为切削效果的变化。切削效果最好的粒度就是最佳粒度，粒度过大或过小，都会引起切削效果变差。此外，不同切削效果项目对应的最佳粒度可能不一致。另外推测，合理或最佳粒度值可能受颗粒材料、切削参数、刀具几何角度以及工件材料的影响，这需要进一步深入研究。结论（）粒度对颗粒流点滴润滑切削效果有影响，存在最佳粒度现象，粒度过大或过小都会导致切削效果变差。（）粒度过大会影响颗粒流渗透进摩擦面，粒度过小则无法应对粗糙及剧烈变动的摩擦面，两者都限制了颗粒流的分离和抹平作用，导致减摩（润滑）效果变差。（）颗粒流点滴润滑采用合理粒度，切削效果良好，甚至好于浇注润滑，可以在切削加工中代替浇注润滑。参考文献：，（）：，：，（）：，（）：，：，（），：，（）：，（）：，（）：，：，（）：第 期张智林 等：粒度对颗粒流滴注润滑车削影响实验