低温微量润滑技术在几种典型难加工材料加工中的应用

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低温微量润滑切削技术概述

切削加工中大量使用切削液引发了环境污染和危害工人健康等问题，而干式切削技术又存在诸多局限性，因此对环境污染小、对人体无害的低温微量润滑技术的研究成为机械加工领域研究的热点之一。低温微量润滑切削技术是低温冷风切削技术（Cooling Air，CA）与微量润滑切削技术(Minimal/Minimum Quantity Lubrication，MQL) 的集成，它既融合了低温冷风切削技术与微量润滑切削技术的优势，同时又弥补了2种切削技术单独应用时的缺陷，在难加工材料的切削加工上体现出了显著的优越性。

1 微量润滑切削技术

该项技术是将压缩空气与极少量的润滑剂混合汽化后，形成毫、微米级汽雾喷向切削区，对刀具与工件和刀具与切屑的接触界面进行润滑。在减少摩擦和粘结的同时也冷却了切削区并有利于排屑，从而显著地改善了切削加工条件。微量润滑技术的优势比较明显：润滑剂以高速雾粒供给，改善了润滑剂的渗透性，提高了冷却润滑效果；MQL 所使用的润滑剂用量一般为每小时几十毫升，而浇注切削液形式的使用量为每分钟几十升；MQL技术使用的润滑剂量很少，且具有绿色环保特性，既提高了工效，又不会对环境造成污染；切削区域外的刀具、工件和切屑清洁干燥，切屑经过压缩就可以回收使用，不会增加清洗成本；MQL可以根据工况规定润滑的最佳浓度，消除了切削液中悬浮粒子污染，改善了工人的工作环境；MQL系统简单、占地小，易于安装在各种类型的机床上。

2 低温冷风切削技术

该项技术是将-100~-10℃的冷风经喷嘴送至切削区，可使切削区的温度大大降低，同时引发被加工材料的低温脆性，使切削过程变得较为容易进行，并相应改善刀具磨损状况的切削方法。低温冷风切削与传统切削相比，能够提高加工效率，改善工件表面质量，而且对环境几乎无污染。

以上2 种绿色加工技术虽然优点突出，但单独使用时也存在诸多局限性。由于单纯依靠润滑油的润滑作用，没有相应的制冷设施，微量润滑切削技术存在以下缺点：冷却性能不足，对于难加工材料切削区温度高的问题难以解决；润滑剂在高温作用下存在润滑油膜破裂、润滑失效等问题。高速切削或材料难加工时，切削区温度迅速升高，润滑剂的润滑性能下降，导致加工性能恶化。而使用低温冷风切削时，刀具与工件材料的润滑性又较差。如果将低温介质与润滑剂有效结合，充分利用冷却介质降低切削区的温度，利用润滑剂的润滑特性，减小摩擦，则可实现比大量浇注切削液更佳的冷却润滑效果。这种低温微量润滑切削技术不仅避免了对环境产生污染，而且能保持甚至提高加工质量。

北京航空航天大学绿色制造技术研究课题组自2005年以来，一直致力于低温微量润滑切削技术的研究，现已研制出2 套成熟的低温微量润滑系统。

低温微量润滑切削技术在几种典型难加工材料切削加工中的应用

难加工材料，如钛合金、高温合金、不锈钢、高强钢等，通常具有强度高、抗氧化能力强、耐高温等特点。它们在满足高性能使用要求的同时，也给切削加工带来了很多难题。加工难加工材料时，切削区温度很高，刀具寿命短，零件表面质量一般难以达到目标要求。传统切削液对环境污染严重，而且相关研究也表明，切削液的使用会造成刀具表面的急冷冲击，引发崩刃、微裂纹等问题，加速了刀具破损。低温微量润滑切削技术在难加工材料的切削加工上体现了巨大的优越性，既满足了零件加工质量的要求，提高了加工效率和刀具使用寿命，又大幅减少了切削液的使用量。

1 低温微量润滑切削技术在钛合金切削上的应用

钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高、无磁、透声等特点而被广泛用于各个领域。钛合金的主要切削性能包括：导热性能低、冷硬现象严重、高温时与气体发生剧烈化学反应、塑性低、弹性模量小、弹性变形大等。切削钛合金材料时，粘刀现象明显，切屑卷曲不易快速排除。

1 低温微量润滑切削技术在钛合金切削上的应用

钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高、无磁、透声等特点而被广泛用于各个领域。钛合金的主要切削性能包括：导热性能低、冷硬现象严重、高温时与气体发生剧烈化学反应、塑性低、弹性模量小、弹性变形大等。切削钛合金材料时，粘刀现象明显，切屑卷曲不易快速排除。

低温切削钛合金的方式多采用液氮或低温冷风切削，Nandy A. K.等使用低温冷风混合一定润滑油剂车削加工钛合金TC4，并与工厂车间内的传统加工方式进行对比，发现此方法不仅降低了车削力，提高了刀具寿命，而且在断屑、排屑方面优势突出。此外，Hong S. Y.、Paul S.、VenugopalK. A.等也都采用低温方式对钛合金材料做了切削试验，并得到了不错的试验效果。本课题组采用自主研发的低温微量润滑系统进行了一系列的钛合金（TC4）铣削试验，分别采用了5种冷却润滑方式：干式切削、传统浇注式切削、冷风切削（CA）、微量润滑切削（MQL）和低温微量润滑切削（MQL-CA），并研究了各种冷却润滑方式对刀具磨损、切削力、加工表面质量的影响。其中图1、2分别为不同冷却润滑方式下的铣削力值、刀具磨损进程随时间变化曲线。试验结果表明：在选定的切削参数，使用低温微量润滑方式切削钛合金TC4 能有效减小切削力、刀具磨损，提高刀具寿命，改善已加工表面质量，并且实现了低温微量润滑切削钛合金TC4的加工效率比传统的浇注式切削提高了20%~30%。