礦物基切削液在加工過程中的使用，特別是對環境、操作人員的健康和加工成本本身產生了負面影響。在可持續加工概念中，冷卻劑技術的引入，如近干加工，即微量潤滑(MQL)和低溫冷卻劑，特別是在刀具壽命方面表現出了很好的性能。目前，MQL在加工性能中得到了廣泛的應用。本文以MQL合成酯為切削液，進行了實驗研究。采用正交切削法對MQL技術在切削溫度、切削力、刀屑接觸長度和切屑厚度等方面的效率進行了比較。實驗結果表明，與干法加工工藝相比，MQL基合成酯作為切削液在加工過程中的應用更有效，降低了切削溫度、切削力、刀屑接觸長度，產生了更好的切屑厚度。
1.介紹
可持續制造被定義為一種制造商產品的創造，它使用的過程在經濟上是合理的，最大限度地減少了負面的環境影響，節約了能源和自然資源，確保了雇員、社區和消費者的安全。[1]。如今，制造業需要可持續的制造，以確保制造過程更加可持續，這反過來又增加了[2]的社會、經濟和環境效益。
在可持續制造方面有許多分支機構，其中一個是可持續的機械加工。可持續的機械加工是一個有助于提高環境友好性、降低機械加工成本、功耗和浪費的過程。它還將導致一個更有效的廢物管理，提高操作安全和改善個人健康。在可持續的加工過程中所關注的問題之一與礦物基切削流體的應用有關。金屬切屑液在機械加工過程中被用作冷卻劑和潤滑劑。金屬切屑液種類繁多，包括油、油水乳液、氣霧凝膠、糊料、空氣等氣體。油水乳液金屬切屑液通常被廣泛應用于機械加工行業。石油和水的MWF乳液所產生的微生物生長，造成了環境和職業健康問題。為了克服這個問題，將殺生物劑被作為控制微生物生長的添加劑。添加劑還被用于控制泡沫的形成和在使用過程中進入流體中的金屬和其他有機成分的腐蝕。這種挫折需要MWF維護系統，成本昂貴，耗能，并導致典型的退化和處理[3]的問題。
可持續加工已經引入了干加工、近干加工，即微量潤滑(MQL)和低溫加工等各種加工條件。近年來，有許多學者對MQL技術進行了研究。據報道，與干法加工[4]相比，平均切削溫度可降低5-10。與干式加工[5]相比，使用MQL作為切削液，刀具磨損或刀具壽命也可以提高四倍。使用合成酯作為MQL加工的最佳潤滑劑已被證明比使用植物油和礦物油[6,7]產生更好的切削性能。
本工作對MQL作為一種可持續加工切削液的效率進行了實驗研究，并在切削溫度、切削力和切屑厚度研究。
2.實驗裝置
采用正交切削條件進行了實驗研究。AISI1045在制造業中得到了廣泛的應用。工件的直徑和厚度分別為150毫米和2毫米。采用數控車床進行加工。選擇未涂覆的碳化物插入件作為刀具。在干加工和MQL技術的條件下，每種冷卻劑的切削速度和進給率都有三個層次。表1顯示了正交切削和MQL條件。
表1：實驗條件
利用支架9257測力計測量切割力。它被連接到多通道放大器和安裝有惡意軟件的計算機上，以記錄切割力數據。
用FLIR熱像儀測量了接近切割區的切割溫度。工件表面被假定為灰色體，其中發射率被設置為恒定值。從每個實驗中采集10個芯片樣本，用錐形微尺度測量其厚度。記錄了10個樣品的平均芯片厚度值的結果。用刀具制造顯微鏡測量刀片接觸長度。區分了滑動區和粘貼區的差異，測量了刀具-芯片的整體接觸長度。圖1顯示了加工過程的完整實驗設置。
通過進行三維雙相位多普勒風速測量(PDA)測量來確定MQL中薄霧顆粒的大小。它配備了一個發射機，接收機、信號處理器和水冷氬離子激光器。然后將PDA測量的原始數據導出到Dantec軟件進行進一步分析。結果表明，霧的平均液滴直徑在35μm至45μm之間。
此外，還進行了四次球狀試驗，以確定合成酯的摩擦系數。測量結果符合ASTMD4172標準。對杠桿臂的所施加的力被設置為392N。電機以1200轉/分的轉速驅動，試驗持續時間為60分鐘。溫度保持在75℃，可觀察到，合成酯的摩擦系數約為0.08。
圖1：機器設置
3. 結果與討論
3.1 切削溫度
使用FLIR熱成像儀使用0℃至1000℃來測量切割區域的切割溫度。圖2顯示了在不同切割速度和供給速率下獲得的切割溫度的變化。經觀察到，切割溫度隨供給速率和切割速度的增大而升高。值得注意的是，在干燥和MQL條件下，較高的切割溫度都是最高。這是由于工件和工具插入件之間的摩擦力不斷增加而造成的。此外，進料速率對切割溫度的變化起到了重要的作用。隨著進料速率從0.08mm/版增加到0.12mm/版，在干燥和MQL條件下的切割溫度記錄值都會增加。據預計，在更高的供給速率下，所需的能量將會更大，從而加速切割溫度。
與干燥條件相比，MQL作為切削液的使用降低了切削溫度約10%-30%。從MQL中得到的壓縮空氣和潤滑劑的混合物通過有效地去除熱量來促進這一過程。由MQL產生的合成酯霧由于具有較高的速度，容易穿透切割區。從PDA分析，記錄顆粒大小的范圍在35μm到45μm之間。從這一結果中，發現以較高速度流動的微小顆粒將更有效地滲透到切割區。
圖2：不同加工環境下的切削溫度
3.2 切削力
圖3顯示了切削力在不同切削速度、進給率和加工條件下的變化。觀察到切削力隨進給速率的增加而增大。這是由于刀片接觸長度的增加，增加了芯片的負載。通過將切削速度從350m/min提高到550m/min，由于每次旋轉去除的材料減少，切削力略有下降。
采用MQL技術，切削力降低了5%~28。合成酯的潤滑作用有助于切割過程變得更加平滑。從四球試驗分析中，觀察到合成酯的摩擦系數為0.08。這意味著刀屑界面之間的接觸是平滑的，從而降低了加工過程的切削力。潤滑劑的應用被認為降低了工具-芯片界面[8]之間的摩擦系數。
圖3：不同加工環境下的切削力
3.3 切屑厚度
切屑可破碎性的主要因素是切屑形狀和尺寸[9]。圖4和表2顯示了在不同切削速度和進給率下使用精密微尺度測量的加工過程中獲得的切屑厚度。觀察到進料速率對厚度變化有顯著影響。據指出，由于刀具-切屑接觸長度的增加，切屑厚度大大增加。在較高的速度下，切屑厚度減小。這是由于減少了每次旋轉移除的材料和減少了工具切屑接觸長度。
與干燥條件相比，MQL技術可以生產出更薄的切屑。由此可見，在MQL條件下的切割溫度要低于干燥條件。它有效地減少了刀具與切屑之間的粘附性和摩擦性，從而降低了切屑的厚度。在MQL條件下的切屑比干燥條件下的芯片薄3%到9%。
表2：切屑厚度值
圖4：不同機加工環境下的切屑厚度
3.4 刀具與切屑之間的觸點長度
圖5顯示了不同切削速度、進給速度和加工條件下的刀-屑接觸長度變化。結果表明，隨著切削速度的提高，刀-屑接觸長度減小。這是由于每轉去除材料的減少。隨著進給速度的增加，刀-屑接觸長度增加。
圖6顯示了MQL與干燥條件下刀片接觸長度的比較。在MQL條件下，刀片接觸長度比干燥條件降低到12。這是由于氣霧劑流動中空氣成分的冷卻效應和潤滑的有效性。此外，它還可以與合成酯摩擦值系數低相關，從而提高了加工性能。
圖5：不同加工條件下的刀具切屑接觸長度
圖6：比較不同進給率和切削速度下MQL與干燥條件下的刀具切屑接觸長度
4.結論
采用MQL作為加工過程的切削液，主要結論和結果總結如下：
i. 與干燥條件相比，MQL條件下的切削溫度降低了10%~30。溫度的降低改善了刀具的壽命，從而有助于可持續的制造。
ii. 與干燥條件相比，MQL條件下的切削力降低了5%~28。這是由于低摩擦系數和較小的顆粒尺寸滲透到切割區。
iii. 建議。發現MQL加工技術比干燥條件更優越。這一現象可以與四球測試和PDA的結果相關。
