高速切削过程中的冷却润滑

高速切削过程中的冷却润滑

M010214114张鹏飞

摘要：金属切削过程是切削层金属在刀具的前刀面推挤下，发生以剪切滑移为主的塑性变形而形成切屑的过程。切削过程中的摩擦影响到切削力、切削温度、刀具的磨损、积屑瘤和鳞刺的形成。这很大程度上影响着已加工表面的质量。本文主要介绍了高速切削过程中的摩擦机理以及相应的冷却润滑的机理，用来改善高速切削的加工质量。

Abstract: Metal cutting process is cutting layers of metal in the tool rake face a shove, dominated by shear plastic deformation and the formation of the chip. The friction in the process of cutting affects the cutting force, cutting temperature, tool wear, and the formation of the debris and the scales. This greatly influences the quality of the machined surface. In this paper, the mechanism of friction in the process of high speed machining and the mechanism of the corresponding cooling lubrication are introduced, which is used to improve the machining quality of high speed machining.

关键词：高速切削、冷却与润滑、摩擦、切削液

1引言

金属切削加工的过程可以归结为切削物(刀具、磨粒等)对被切削物的剪切、挤压、变形等引起的剧烈摩擦和磨损的过程。高速切削过程中的摩擦直接影响刀具失效(磨损和破损)，刀具使用寿命、工件的加工精度以及已加工表面的完整性。特别是高速切削过程中刀具寿命的缩短，限制高速切削的进一步发展和应用。为了使高速切削在实际加工中得到更广泛的应用，应研究清楚高速切削摩擦产生的影响与冷却润滑之间的平衡关系。

在金属切削过程中，始终存在着两个摩擦副，前刀面与切屑的摩擦副和后刀面与切屑的摩擦副。刀具前刀面、后刀面不断与切屑和工件接触并发生强烈的摩擦，接触区压力可高达1GPa 以上，切削温度则可高达1000 益以上[1]。在这样的高温高压下，切削条件极度恶劣，会大大缩短刀具寿命和影响工件的加工质量。为了降低切削温度，延长刀具寿命和提高加工表面质量，往往在加工过程中使用冷却润滑液。

冷却润滑液在切削过程中的主要作用就是冷却与润滑，此外还有排屑等附加作用。冷却与润滑的机理就是在刀具与切屑之间形成一次润滑膜，避免刀具与切屑直接接触，同时降低它们之间的剪切系数，从而降低剪切应力。切削加工过程中具有润滑作用的薄膜主要包括物理吸附膜、化学吸附膜、化学反应膜、氧化膜、涂层润滑膜及自润滑膜等[2]。

2 高速切削过程中的摩擦

在金属切削过程中，始终存在着两个摩擦副，前刀面与切屑的摩擦副和后刀

面与切屑的摩擦副。刀具前刀面、后刀面不断与切屑和工件接触并发生强烈的摩

图1高速加工结构及关键技术

擦，接触区压力可高达1GPa 以上，切削温度则可高达1000 益以上。如图1所示。刀屑摩擦是指刀具前刀面与切屑之间的挤压与摩擦，压力高达数GPa，在高温作用下，切屑与前刀面部分接触区发生粘结，形成内摩擦，如图1中A 区所示。在B区，切屑与前刀面是峰点接触，为滑动摩擦区。故通常把刀屑间的摩擦分为粘结区和滑动摩擦区的外摩擦。刀工摩擦是后刀面与工件已加工表面之间的摩擦，相比前刀面，后刀面的正压力较小，主要为峰点接触，故同样为滑动摩擦，C区为不发生摩擦的区域。

图2切削加工过程中的摩擦

切削中的摩擦对切削加工过程有着重要影响，尤其是在高速切削难加工材料时，刀屑间的摩擦更加剧烈，切削区温度更高，对切削过程影响更大。在摩擦对

切削过程的影像中，刀屑摩擦对切屑的形成、切削力、切削温度以及前刀具磨损等有较大影响；而刀工摩擦对已加工表面质量以及后刀面磨损有重要影响。因此，研究刀具与工件材料接触表面的摩擦特性至关重要，并通过改善切削区的接触状态，以减少切削摩擦的影响。

切削加工中的摩擦与热对切削加工的各方面有许多不利影响，采取适当的措施降低切削区的摩擦，减少切削热，改善切削加工过程，成为重要的研究内容。而切削液成为改善切削区摩擦的有效方法，切削液在加工过程中起到润滑、冷却和清洗作用，从而带走加工中产生的热量、降低摩擦和刀具磨损、排除切削等。

2.1刀具-切屑摩擦

在传统的低速切削中，摩擦主要发生在刀具后刀面，在刀具前刀面起作用的主要是库伦摩擦，而在高速切削过程中，由于切屑沿刀具前刀面的流出速度、刀屑接触压力和温度大幅提高，使前刀面和切屑之间的摩擦情况更加复杂，已经不能用传统的库伦摩擦来解释。不断提高的滑动速度和摩擦应力使刀具前刀面产生严重磨损。因此，在高速切削中，刀具磨损速率很大程度上取决于刀屑接触面的摩擦情况[2]。在高速条件下，虽然刀具表面原有的吸附膜容易被破坏，但高速切削所带来的高温条件，容易使刀具表面形成新的氧化膜，并且使黏结区材料因高温而软化，使刀屑间的摩擦力降低。Farhat[3]研究了切屑与前刀面之间的摩擦系数随切削速度的变化情况，研究结果表明随着切削速度的增大，摩擦系数从0.95下降到0.67 这是由于在高速切削的时候，刀屑界面形成一层薄的熔融金属层而使切屑更容易产生剪切滑移。这与文献[4]中研究的结果相符。即对于不同的切削深度，摩擦系数都是随着切削速度的增大而减小。高速切削时，刀屑之间产生摩擦化学反应，对摩擦系数产生一定的影响。根据邓建新[5]等人的研究，Al2O3陶瓷刀具高速干切削时，摩擦系数随切削速度和TiB2含量增大呈减小趋势。随切削速度的升高，切削温度增大，刀屑之间产生摩擦氧化反应，TiB2氧化速度加快，氧化产物增多；TiB2的氧化产物TiO2可在切屑和刀具前刀面之间起固体润滑作用，从而减轻刀具与切屑之间的粘着，减小切削力和前刀面的平均摩擦系数，减轻刀具的磨损，提高刀具的耐磨性能。高速切削时，刀屑界面复杂的摩擦情况很难通过传统的切削实验进行研究，不少学者通过数值模拟进行研究。Arrazola[6]等人使用任意拉格朗日欧拉(ALE)有限元方法，把刀屑界面分成几个区域，重点研究刀屑界面的摩擦行为。刀屑接触面的摩擦可以通过刀具前刀面上法向应力和摩擦应力之间的关系来表示。Zorev[7]将刀具前刀面的接触区分成黏结区和滑移区两部分，提出黏结滑移摩擦模型来模拟刀屑接触面的摩擦情况。Wu[8]扩展了Zorev摩擦模型，他们假设黏结区长度和滑移区长度相等，黏结区的摩擦应力为等效应力的函数，而滑移区的摩擦应力呈线性减小到零。目前，研究者在zorev模型的基础上提出了六种不同的摩擦模型来模拟高速切削过程中前刀面的