空气喷射辅助少量润滑对航空铝合金7050T7451铣削力的影响

2019年4月第47卷第7期
机床与液压
MACHINE TOOL ＆HYDＲAULICS
Apr.2019Vol.47No.7
DOI ：10．3969/j.issn.1001－3881.2019.07.008
本文引用格式：仲为武．空气喷射辅助少量润滑对航空铝合金7050-T7451铣削力的影响［J ］．机床与液压，2019，47（7）：35－38．ZHONG Weiwu．Effect of Air Jet Assisted Little Quantity Lubrication on Cutting Force in Aviation Aluminum 7050-T7451Milling Process ［J ］．Machine Tool ＆Hydraulics ，2019，47（7）：35－38．
收稿日期：2017－12－15
基金项目：山东省自然科学基金资助项目（ZＲ2015EL030）
作者简介：仲为武（1968—），男，博士，教授，研究方向为绿色切削、机电测控。

E －mail ：zhongweiwu2008@ 。

空气喷射辅助少量润滑对航空铝合金7050-T7451铣削力的影响
仲为武
（山东英才学院机械与电气工程学院，山东济南250104）
摘要：为了提高少量润滑的冷却润滑效果，提出了空气喷射辅助少量润滑的方法，并利用建立的空气喷射辅助少量润滑系统对航空铝合金7050-T7451进行铣削实验。

通过采集切削力信号对干切削、不同切削液流量的空气喷射辅助少量润滑切削和湿式切削进行比较研究。

结果表明：干切削条件下的切削力大于空气喷射辅助少量润滑的切削力，且随着切削液流量的增大，气液两相冷却润滑介质的润滑能力增强，导致切削力呈减小趋势；空气喷射辅助少量润滑与湿式冷却润滑两种条件下的切削力相比，总体来说前者小于后者，这一现象表明空气喷射辅助少量润滑的润滑效果优于湿式冷却润滑，但切削液的使用量仅为后者的3%。

关键词：切削液；空气喷射；切削力；少量润滑
中图分类号：TH161+.6；TG506.9
Effect of Air Jet Assisted Little Quantity Lubrication on Cutting Force in Aviation
Aluminum 7050-T 7451Milling Process ZHONG Weiwu
（College of Mechanical and Electrical Engineering ，Shandong Yingcai University ，Jinan Shandong 250104，China ）
Abstract ：In order to improve cooling and lubrication effect of little quantity lubrication ，air jet assisted little quantity lubrication （AJLQL ）was put forward and milling experiment of aviation aluminum alloy 7050-T7451was carried out by using AJLQL system．A comparative study of dry cutting ，AJLQL cutting and flood lubrication cutting was conducted based on cutting force signals．The results show that the cutting force under dry cutting condition is larger than that of AJLQL cutting．With the increase of cutting fluid flow rate ，the lubricating ability of air-liquid two phase cooling-lubrication medium increases ，which results in the decrease of cutting force．Com-parison of cutting force between AJLQL cutting and flood lubrication cutting shows that the cutting force of AJLQL cutting is smaller than that of flood lubrication cutting ，which indicates that the lubrication effect of AJLQL is better than that of flood lubrication ，but the cutting fluid usage is only 3%of the latter．
Keywords ：Cutting fluid ；Air jet ；Cutting force ；Little quantity lubrication
0前言
绿色切削是绿色制造的重要组成部分，其对我国制造业的可持续发展具有重要意义。

目前常见的绿色切削方法包括干切削、微量润滑切削、低温切削、绿
色湿式切削等
［1－4］。

然而现有的绿色切削方法在润滑效果、冷却效果和使用成本等方面均存在不足，适用范围受限。

为此，专家学者在不断地探索新的方法，或者对现有的绿色切削方法进行改进。

为了改善微量润滑切削存在的冷却能力不足的问题，有学者提出了纳米粒子射流微量润滑
［5］
，利用纳米粒子的强化换热
提高微量润滑的冷却能力，同时能提高微量润滑切削
加工的润滑性能。

王胜等人［6］
采用纳米粒子射流
MQL 进行了磨削试验，结果证明了纳米粒子射流对提高微量润滑冷却能力的有效性。

TOSHIYUKI 等
［7］
针对传统湿式冷却润滑存在的切削液由于喷射速度低
很难到达切削区的问题，在传统湿式冷却润滑的基础上，在刀具上内置压缩空气通道，压缩空气带动切削液高速进入切削区，以期获得良好的冷却润滑效果。

少量润滑是一种切削液用量介于传统湿式切削和
微量润滑切削之间的冷却润滑方式［8］
，其冷却能力大于微量润滑方式，而切削液用量又大大低于湿式冷却
润滑方式。

前期对航空铝合金7050-
T7451铣削研究
结果表明，根据工艺条件的不同，当切削液流量为50 300mL/min时，少量润滑切削具有与传统的湿式切削几乎相同的加工效果，而切削液的用量仅为传统湿式切削的1% 8%。

但是少量润滑存在与传统的湿式冷却润滑同样的切削液流速低的问题，降低了冷却和润滑效果。

为了解决这一问题，提出了空气喷射辅助少量润滑（Air Jet-assisted Little Quantity Lubrica-tion，AJLQL）的方法。

切削力直接影响着工件质量、刀具寿命、机床动力消耗，根据切削力可以考察冷却润滑介质对切削区的冷却润滑效果。

本文作者从切削力的角度对AJLQL对切削过程的影响进行研究。

1空气喷射辅助少量润滑机制
空气喷射辅助少量润滑采用压缩空气将少量切削液（50 500mL/min）雾化并形成气液两相冷却润滑介质，高速喷射到切削区，达到冷却润滑的目的。

由于空气喷射辅助少量润滑的切削液流量比微量润滑大，其润滑能力和冷却能力均优于微量润滑。

当切削液选用乳化液时，其冷却能力将远远大于微量润滑。

同传统的湿式冷却润滑相比，一方面减少了切削液的大量使用，另一方面，切削液进入切削区的速度得以大大提高，从而提高润滑效果。

另外，切削液的流量和种类可以根据加工条件和要求确定。

对于粗加工，可以选用乳化液以获得较好的冷却效果，精加工则可以选择切削油以获得较好的润滑效果，从而提高加工质量。

空气喷射辅助少量润滑的冷却作用主要通过高速流过切削区的气液两相介质（空气和切削液）与高温金属表面的强迫对流换热和切削液沸腾换热实现的。

沸腾换热的程度取决于切削区刀具和工件表面的实际温度，不同工艺状态之间会有很大差别。

由于其切削液的流量大于微量润滑，高速流动的冷却润滑介质到达切削区后，不断冲击高温金属面形成强迫对流换热，达到冷却目的。

另外，雾化的切削液到达切削区后将有效地减小摩擦力，从而减少摩擦热，达到对工件和刀具间接冷却的目的。

空气喷射流辅助少量润滑相对于少量润滑的显著区别在于提高了切削液的射流速度，切削液能深入到切削区的中心，通过渗入第二变形区和第三变形区的毛细管减小刀具与切屑及刀具与已加工表面干摩擦的长度，减小摩擦因数，从而提高润滑效果。

2实验装备及实验设计
空气喷射辅助少量润滑装置是自行设计。

切削液通过蠕动泵精确计量后与压缩空气混合，雾化的切削液和压缩空气高速进入切削区起到冷却和润滑作用，喷嘴直径为5mm。

实验机床为沈阳机床厂TK855立式加工中心。

铣削方式为端铣，铣削方向为加工中心x轴正方向。

工件材料为航空铝合金7050-T7451，尺寸为150mmˑ43mmˑ38mm。

刀具为硬质合金端铣刀（直径为10mm，2刃）。

切削液为体积比1ʒ20的乳化液，AJLQL压缩空气压力为0.6MPa。

切削力测量采用Kistler9257B测力仪，采样频率为50kHz。

为了使测得的数据具有可比性，切削力信号均在切削行程的中间位置采集。

实验装置见图1。

图1实验装置
实验设计采用单因素法，见表1。

为了降低因实验数据的庞大造成后续数据处理的难度，铣削深度a
p
固定为2mm。

n为主轴转速，a
e
是铣削宽度，f
z 是每齿进给量。

从表1可知，实验包括4组共12个实验。

每一个实验在其他工艺条件不变的前提下，按
照干切削（C
d
）、50mL/min的AJLQL切削（C
50
）、
150mL/min的AJLQL切削（C
150
）和湿式切削（C
f
）各进行一次，也就是说，每一个实验包含4个子实验，共计48个子实验。

湿式切削的切削液流量为5 L/min。

为了提高实验数据的可靠性，48个子实验重复3次，实验结果取其平均值。

表1实验设计
组号
实验
号
n/
（r·min－1）
a
e
/
mm
f
z
/
（mm·齿－1）
f/
（mm·min－1）1
1300020．035210
2550020．035385
3800020．035560 2
4300040．035210
5550040．035385
6800040．035560 3
7300060．035210
8550060．035385
9800060．035560 4
10800060．01160
11800060．02320
12800060．03480
·
63
·机床与液压第47卷
3实验结果及讨论
不同冷却润滑方式对x 、y 、z 方向切削力的影响
如图2—图5所示。

由于铣削过程为间断切削，铣削过程中切削力大小不断变化且呈现近似周期性，通常取平均切削力和最大切削力作为切削力特征值，文中取铣刀5个旋转周期的平均切削力作为特征值。

从图2—图4中可以看到，随着切削速度的提高，3个方向的切削力均呈下降趋势，这是因为随着切削速度的
增大会导致切削温度的升高，进而导致切削区工件和切屑的硬度下降，最终导致切削力的减小。

从图2—图4可以看到，其他条件不变的前提下，铣削宽度a e 增大，切削力也明显增大，这是由于铣削宽度的增大导致切削刃参与切削的时间占比增大。

图5表明，其他工艺条件不变时，每齿进给量的增大导致切削力的显著增大，其原因为每齿进给量的增大会导致切屑厚度和材料去除率的增大。

图2
不同冷却润滑方式下的平均切削力（第1组）（a e =2mm ，f z =0.035mm /齿；横坐标（冷却润滑方式）：1－C d ，2－C 50，3－C 150，4－C f
）
图3
不同冷却润滑方式下的平均切削力（第2组）（a e =4mm ，f z =0.035mm /齿；横坐标（冷却润滑方式）：1－C d ，2－C 50，3－C 150，4－C f
）
图4
不同冷却润滑方式下的平均切削力（第3组）（a e =6mm ，f z =0.035mm /齿；横坐标（冷却润滑方式）：1－C d ，2－C 50，3－C 150，4－C f
）
图5
不同冷却润滑方式下的平均切削力（第4组）（n =8000r /min ，a e =6mm ；横坐标（冷却润滑方式）：1－C d ，2－C 50，3－C 150，4－C f ）
·
73·第7期仲为武：空气喷射辅助少量润滑对航空铝合金7050-
T7451铣削力的影响
从图2—图5中可以看到，在相同的工艺条件下，不同的冷却润滑方式对切削力有显著影响，C
d
、
C
50、C
150
3种情况的切削力依次减小。

究其原因，干
切削时，刀具与工件、刀具与切屑之间处于干摩擦状态，被加工材料与刀具之间存在较大的摩擦力。

而在
C
50和C
150
的空气喷射辅助少量润滑条件下，气液两相
冷却润滑介质高速进入切削区，形成刀具与被加工材料之间的边界润滑，切削液的润滑功能得以充分实
现。

C
150与C
50
相比，进入切削区的雾状切削液增多，
易于在第二和第三变形区形成边界润滑膜，刀具与工
件、刀具与切屑之间摩擦因数得以降低，导致切削力较小。

从实验结果中还可以看出，传统湿式冷却润滑条件下的切削力小于干切削（图3（a）主轴转速为3000r/min时出现例外，是粗大实验误差导致），这是因为文中实验属于低中速切削，而在低中速切削时，传统的湿式冷却润滑仍然可以使切削液比较顺利地到达切削区，实现润滑功能。

C
f
条件
下的切削力与C
150
的切削力相比，出现大于和少于两种情况，以上两种情况的占比分别为80%和20%。

这一现象表明，大多数情况下，传统湿式冷却润滑条件下的切削力要大于50mL/min的空气喷射辅助少量润滑的切削力。

这说明，当切削液流量达到某一数值时，空气喷射辅助少量润滑的润滑效果要优于湿式冷却润滑。

4结论
利用自行建立的空气喷射辅助少量润滑系统对航空铝合金7050-T7451进行了铣削实验。

4种冷却润滑方式下的切削力实验结果表明空气喷射辅助少量润滑对切削力有显著影响，研究结果如下：
（1）干切削条件下的切削力大于空气喷射辅助少量润滑的切削力，且随着切削液流量的增大，气液两相冷却润滑介质的润滑能力增强，导致切削力呈减小趋势；
（2）空气喷射辅助少量润滑与湿式冷却润滑两种条件下的切削力相比，总体来说前者小于后者，这一现象表明空气喷射辅助少量润滑的润滑效果优于湿式冷却润滑，但切削液的使用量仅为后者的3%。

空气喷射辅助少量润滑对切削过程的影响应从多角度进行评判，本文作者仅从切削力角度对航空铝合金铣削进行实验研究，后续研究应包括其对加工表面质量、刀具磨损等的影响。

另外，文中研究的切削过程属于低中速切削，空气喷射辅助少量润滑对高速切削的影响有待于后续研究。

参考文献：
［1］TAWAKOLI T，HADAD M，SADEGHI M．Influence of Oil Mist Parameters on Minimum Quantity Lubrication－MQL Grinding Process［J］．International Journal of Machine Tools＆Manufacture，2010，50：521－531．
［2］MUHAMMAD I，PAUL T，ALI G，et al．Comparison of Tool Wear Mechanisms and Surface Integrity for Dry and Wet Micro-drilling of Nickel-base Superalloys［J］．International Journal of Machine Tools＆Manufacture，2014，76：49－60．［3］ANTHONY X M，ADITHAN M．Determining the Influence of Cutting Fluids on Tool Wear and SurfaceＲoughness dur-ing Turning of AISI304Austenitic Stainless Steel［J］．Jour-nal of Materials Processing Technology，2009，209：900－909．
［4］KHAN A A，AHMED M．Improving Tool Life Using Cryo-genic Cooling［J］．Journal of Materials Processing Technol-ogy，2008，196（1/2/3）：149－154．
［5］MAO C，TANG C，ZOU H，et al．Investigation of Grinding Characteristic Using Nanofluid Minimum Quantity Lubrica-tion［J］．International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2012，13（10）：1745－1752．
［6］王胜，李长河，张强．纳米粒子射流微量润滑磨削表面粗糙度预测与实验验证［J］．现代制造工程，2014（8）：1－6．WANG S，LI C H，ZHANG Q．Prediction and Experiment on SurfaceＲoughness of Grinding Process in Minimum Quan-tity Lubrication with Nanoparticles［J］．Modern Manufactur-ing Engineering，2014（8）：1－6．
［7］TOSHIYUKI O，MASASHI Y，KAZUHIＲO F，et al．Air Jet Assisted Machining of Nickel-base Superalloy［J］．Interna-tional Journal of Machine Tools＆Manufacture，2012，61：20－26．
［8］ZHONG W，ZHAO D，WANG X．A Comparative Study on Dry Milling and Little Quantity Lubricant Milling Based on-Vibration Signals［J］．International Journal of Machine Tools＆Manufacture，2010，50（12）：1057－1064．
（责任编辑：卢文辉）櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚櫚
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