MQCL在不銹鋼加工中的斷屑機理分析

黃霜

摘要：本文在MQCL條件下及澆注式冷卻條件下對不銹鋼展開高速精車削實驗，采集兩種冷卻條件下的切屑形態進行對比分析。研究表明，MQCL條件有效地改善了不銹鋼的斷屑能力，這是因為低溫降低了不銹鋼切屑的塑性，同時在強力的冷風作用下，切屑受到較大的拉力而更容易折斷。

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.

關鍵詞：MQCL;切屑形態;斷屑機理

Key words： MQCL;chip morphology;chip breaking mechanism

中圖分類號：TG52? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2020）20-0084-02

0? 引言

近年來，奧氏體不銹鋼因其強度高、耐腐蝕性等優異性能被廣泛用于航空航天、汽車、模具、輪機等不同加工領域中。但因奧氏體不銹鋼具有塑性和韌性大，切削溫度高，在切削加工中存在切屑不易折斷、易形成積屑瘤等問題，從而刮傷工件表面和纏繞、粘接刀具，導致工件表面光潔度差和刀具磨損大。低溫微量潤滑（MQCL）是將壓縮后的高壓氣體冷卻再與極微量的切削液混合汽化后，形成霧狀的油汽混合物，噴射到加工區域，從而達到降溫冷卻和潤滑的雙重目的[1]。低溫冷風切削也屬于一種解決污染問題的綠色加工技術，通常采用-10～-30℃的冷風強烈沖刷切削區。部分研究表明，低溫冷風切削可以大大降低切削溫度，提高切屑脆性，改善斷屑能力，提高加工表面的質量，適合不銹鋼、鈦合金等難加工材料的切削[2]。Radoslaw等學者研究了在MQCL環境下切削低碳鋼的切屑形態與加工表面質量，實驗表明在MQCL環境下斷屑能力和加工表面質量得到改善[3]。因此，研究在低溫微量潤滑條件下奧氏體不銹鋼的斷屑機理具有重要意義。

1? 實驗條件

①工件材料：選用奧氏體304不銹鋼，國內牌號為0Cr18Ni9，其外徑為100mm，長度為400mm。

②機床參數：此次實驗機床選擇濟南第一機床廠CK6136i型號車床，i系列機床為整體式床座，使機床具有足夠高的阻尼特性、剛度以及強度，其質量可靠、性能先進、適應性廣泛，能滿足高速加工時保證加工質量和提高刀具壽命的需要。

③刀具參數：不銹鋼切削時因存在散熱條件差、加工硬化嚴重、易粘刀等問題，因此，不銹鋼切削刀具材料應該具有良好的耐熱、耐磨性能和與不銹鋼親和作用小等特點。實驗采用刀具采用豐泰數控公司的GaoMeiKe系列涂層硬質合金刀具。

④切削條件：本次實驗基于自主搭建的低溫微量潤滑切削系統，選取不同的冷風溫度T、冷風速度W、切削液流量Q及噴射角度a 對不銹鋼展開25組高速車削實驗，其中冷風溫度、冷風速度、切削液流量分別選用五個水平，噴射角度選用前刀面（RF）、主后刀面（MRF）、副后刀面（SRF）三個水平，并以相同的切削參數開展澆注式冷卻對比切削實驗，采集每一組切削試驗的切屑形態。

2? 切屑形態對比分析

本文選取了澆注式冷卻組的切屑形態與低溫微量潤滑條件下2組實驗切屑形態進行對比分析。（圖2）

可以看出，在澆注式冷卻條件下，切屑連綿不斷，呈螺旋狀生長，不能自動斷屑，極易發生纏繞現象，從而劃傷工件已加工表面和使刀具受到破壞。當前實驗組表面粗糙度值Ra=2.838μm。這是因為不銹鋼塑性大，且加工過程中切削溫度高，使切屑材料軟化，當前澆注式冷卻條件下，冷卻潤滑效果不佳。同時，切削液流速低對切屑的沖擊力度相對較低，不能較好的助力于切屑脫離工件表面。

圖3為低溫微量潤滑條件下的第16組切削實驗切屑形態。當前組冷卻參數為：冷風速度W=11.5m/s，冷風溫度T=10℃，切削液流量Q=300ml/h，噴射角度為前刀面RF，表面粗糙度值Ra=0.982μm。

從圖3中可以看出，切屑形態依然呈螺旋狀生長，但長度已降至10cm左右，基本能實現自動斷屑，與澆注式冷卻潤滑相比斷屑情況明顯改善。這是因為當前實驗條件下冷風溫度為10℃，能一定程度上降低切屑的塑形，提高切屑的脆性，并且當前冷風速度為11.5m/s，風速較快，能夠將切屑快速吹離工件表面。

圖4為MQCL條件下第12組實驗切屑。當前組實驗冷風溫度T=0℃，冷風速度W=5.5m/s，切削液流量Q=300ml/h，噴射角度為前刀面RF。表面粗糙度值Ra=0.972μm。

從圖4中可以看出，切屑長度已明顯變短，相比第16組切屑長度更為短一些，平均為4-5cm左右。這是因為當前實驗組的冷風溫度為0℃，切屑脆性得以進一步提高，在冷風的作用下更易被折斷。本組實驗條件切屑形態說明當前切削工況較好，斷屑能力得以提高。

3? 結語

本文通過對比分析澆注式冷卻條件下與MQCL條件下高速車削奧氏體不銹鋼時的切屑形態，證實了低溫微量潤滑技術使不銹鋼斷屑情況得以改善，低溫微量潤滑條件下切削的斷屑效果明顯好于澆注式冷卻條件。這是由于不銹鋼為塑性材料，易形成連續不斷的切屑，而在低溫微量潤滑條件下切削時，由于冷風的加入，換熱效果得到極大的提高，降低了切削溫度，從而降低了切屑的塑性，減輕了不銹鋼材料的軟化。同時，低溫冷風是在強大的氣流沖擊作用下進行的，此時，切屑受到較大的拉力而被輕易地拉斷，使斷屑情況得到改善。

參考文獻：

[1]趙新窯.低溫微量潤滑條件下涂層刀具車削不銹鋼的試驗研究[D].西安：西安理工大學，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.