CN110293442A - 一种用于切削加工的颗粒流固体润滑方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于切削加工的颗粒流固体润滑方法，采用振动辅助颗粒流润滑的方式解决切削加工中的减摩、降温问题。将微纳米粒度的颗粒润滑介质输送到加工部位，颗粒润滑介质包括石墨、MoS2、WS2、Al2O3、SiO2、金刚石粉中的一种或多种，粒度为十几纳米至几十微米；颗粒润滑介质向切削部位的输送方式包括：喷粉式、流化式，以及其它固体粉末供给方式。在实现正常切削的同时，采用振动辅助的方法，将颗粒润滑介质导入切削区，并加速它们在刀屑和刀工接触界面间的流动，从而充分发挥颗粒介质的润滑减摩作用。本发明材料及工艺适用范围广，完全不用切削液，避免了切削液所带来的环境污染和人身危害。

Description

一种用于切削加工的颗粒流固体润滑方法
技术领域
本发明涉及一种固体润滑技术，特别是涉及一种用于切削加工的颗粒流固体润滑方法，属于机械加工领域。
背景技术
切削加工是通过刀具和工件之间的相对运动，去除多余材料，从而获得形位精度、尺寸精度及表面质量都满足要求的机械零件的工艺方法，它是一种发展最成熟、工艺最完善、应用最广泛的机械加工技术。据统计，当前装备制造业中机械加工总量的70%～80%是通过切削加工完成的。作为一种典型的机械去除方法，“挤压、摩擦、变形、剪切”是切削加工的本质特征。切削过程中，伴随着被切削层材料的切离，形成了三个变形区（剪切滑移区、刀屑接触区、刀工接触区），产生剧烈摩擦，由此带来大量的切削热和较大的切削力，从而严重制约了加工质量和效率的提高、增加了生产成本。因此，减小切削变形和刀具-切屑-工件之间的摩擦，降低切削温度和切削力，成为切削加工的必然要求。
切削液（切削油）浇注润滑是最传统、且最常用的切削润滑技术，主要起到冷却和润滑双重作用。然而浇注润滑存在着诸多问题和不足：（1）切削液消耗量大、成本高。据统计，切削加工中用于切削液的购置、使用、处理等的直接和间接费用占加工总成本的10～17%，而刀具成本仅占5～7%。（2）切削液的效能得不到充分发挥。切削过程中刀具-切屑紧密接触，形成粘结区，产生内摩擦，使切削液进入切削区的途径受到限制，尤其是在车削、钻削等连续型切削工艺中，切削液的效能仅能发挥30%以下。（3）适用温度范围小，通常在-60～350℃之间。在高速、重载、难加工材料切削等高温情况下，由于切削液的挥发、变质，使其冷却和润滑性能变得更差。（4）环境污染和危害人身健康。为了克服浇注润滑的上述不足，自上世纪80年代，逐渐出现了最小量润滑、低温冷风、液氮冷却等用于切削加工的绿色冷却润滑技术，但这些方法各有其优缺点和应用局限。
颗粒流润滑是一种新型润滑技术，属于固体润滑的范畴。颗粒流润滑是将固体润滑介质以颗粒（粉末）状态直接导入摩擦副，利用微小颗粒的粘附、变形、滑滚、分层开裂等特性，减少做相对运动的两表面间的接触，从而减少摩擦、降低磨损的润滑方法。颗粒流润滑大都具有摩擦系数小（例如MoS2为0.05～0.1、WS2约为0.03）、润滑性能好、自补偿自修复、无污染、无毒害等特点，特别适合于高温、高压、高真空、高负荷等严酷工况。然而，与现有颗粒流润滑的使用场合（滚动摩擦、滑动摩擦）不同，切削变形区的摩擦属于干摩擦或边界摩擦，刀具与切屑、工件的接触状态很复杂（挤压、摩擦、粘结、耕犁等），从而使颗粒润滑介质很难导入切削区，更难以实现在刀屑和刀工界面间的流动，从而制约了颗粒流润滑技术在切削加工中推广应用。
为了有效解决切削加工中颗粒润滑介质的导入和界面流动问题，充分发挥颗粒流润滑的优势，降低切削温度和切削力、改善加工工艺效果，最终促进该技术在切削领域的推广应用，本发明提出了一种用于切削加工的颗粒流固体润滑新技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种用于切削加工的颗粒流固体润滑方法，有效解决切削加工中颗粒润滑介质的导入和界面流动问题，充分发挥颗粒流润滑的优势，降低切削力和切削温度，改善加工工艺效果。
本发明为解决技术问题所采取的技术方案如下：
一种用于切削加工的颗粒流固体润滑方法，采用振动辅助颗粒流润滑的方式解决切削加工中的减摩、降温问题，
（1）将微纳米粒度的颗粒润滑介质输送到切削加工部位，所采用的颗粒润滑介质包括石墨、MoS2、WS2、Al2O3、SiO2、金刚石粉中的一种或多种，粒度为十几纳米至几十微米；
（2）颗粒润滑介质向切削部位的输送方式包括：通过高压气流雾化后喷向加工部位的喷粉式、类似于流体输送的流化式，以及其它适用的固体粉末供给方式；
（3）在实现正常切削的同时，采用振动辅助的方法，将颗粒润滑介质导入切削区，并加速它们在刀屑和刀工接触界面间的流动，从而充分发挥颗粒介质的润滑减摩作用。
在步骤（3）中，所述的振动是通过振源给刀具或工件施加的各种外加振动，或者是机床本身所具有的刀屑周期分离工艺。
所述的外加振动的施加对象是刀具、工件两者之一，或者两者同时；外加振动的频率包括超声频、中频和低频；振幅大于颗粒润滑介质的粒度；振动方式包括单一直线振动、单一扭转振动，或者由两个及两个以上单一振动组合而成的复合振动；振动方向包括切削方向、进刀方向、吃刀方向，以及上述方向的组合。
所述的机床本身所具有的刀屑周期分离工艺是指依靠机床自身运动所实现的各种断续切削方法，包括钻削加工中的标准啄钻、高速啄钻形式。
本发明的优点在于：
1、完全不用切削液，避免了切削液所带来的环境污染和人身危害；可用的颗粒润滑介质种类多、粒度范围大，通过合适的方式可进行定量输送，从而有利于实现低成本绿色润滑，完全能够成为现有切削润滑技术的替代或补充。
2、由于颗粒润滑介质能够降低刀屑和刀工摩擦，减小切削变形，从而具有润滑和降温双重效果，且润滑效果大都好于浇注、MQL等切削润滑技术。
3、当通过机床之外的振源给刀具或工件施加振动时，切削过程中能够产生外加振动和颗粒流的双场协同效应，获得超出一般振动切削的工艺效果。
4、材料及工艺适用范围广，特别适合于模具钢、淬硬钢、钛合金、镍基合金等难切削材料的车、铣、钻、磨等切削工艺。
附图说明
图1为钻削加工中的振动辅助颗粒流润滑示意图；
图2为切削部位的局部放大图；
图3为钻头的进刀方向振动示意图；
图4为钻头的切削方向振动示意图；
图5为工件的进刀方向振动示意图；
图6为促进颗粒流润滑的标准啄钻工艺；
图7为促进颗粒流润滑的高速啄钻工艺。
图中，1---机床主轴，2---振动刀柄，3---喷嘴，4---颗粒润滑介质，5---刀具（钻头），6---工件，7---振动工作台，8---机床工作台。
具体实施方式
本发明适用于车、铣、钻、磨、刨等绝大多数切削工艺，所涉及的工艺方法繁多，但该发明在各工艺中的作用原理和实施方式基本相同，故这里以钻削加工为例进行说明。
以钻削加工为例，该发明的具体实施方式如下：
（1）采取一定的方式（喷粉式、流化式或其它方式），将微纳米粒度的颗粒润滑介质定量输送到加工部位。如图1和2，本实施例中颗粒润滑介质4是采用喷粉式通过喷嘴3输送到刀具5的切削部位。
（2）在实现正常切削的同时，采用外加振动或者其它刀屑周期分离的工艺方法，将颗粒润滑介质导入切削区，并加速它们在刀屑和刀工接触界面间的流动，从而充分发挥颗粒介质的润滑和降温作用。如图1和2所示，在本实施例中，颗粒润滑介质4是在外加振动（刀具振动f 1、A 1和工件振动f 2、A 2）的作用下，通过钻头与孔壁、切屑与螺旋槽的间隙进入切削区，并在刀屑和刀工接触界面间发生粘附、滑滚、碰撞等微观运动，从而降低刀工和刀屑摩擦，发挥润滑及降温作用。本实施例中，刀具振动f 1、A 1是指刀具5在振动刀柄2的驱动下产生的进刀方向的直线振动；工件振动f 2、A 2是指工件6在振动工作台7的驱动下实现的进刀方向的直线振动。
（3）当颗粒润滑介质的导入和界面流动是依靠外加振动实现时，振动的施加对象可以是刀具、工件两者之一，或者两者同时；振动频率可以是低频、中频或超声频；振幅应大于颗粒润滑介质的粒度；振动方向可以是切削方向、进刀方向、吃刀方向，或者它们之间的组合；振动方式可以是直线振动、扭转振动，或者它们的组合。在钻削加工中，振动可以是：钻头的进刀方向振动（图3）、钻头的切削方向振动（图4）、工件的进刀方向振动（图5）或工件围绕内孔轴线的扭转振动，也可以是上述振动的组合，具体振动方式的选择取决于：实现颗粒流导入和界面流动之外的其它加工需求。
（4）当颗粒润滑介质的导入和界面流动是依靠机床自身的刀屑周期分离工艺实现时，此种工艺可以是通过机床自身运动所实现的各种断续切削方法，钻削加工时可以采用标准啄钻或高速啄钻两种形式。在图6所示的标准啄钻工艺中，刀具从距离工件上表面Z0一定高度的R平面开始进给，每钻进Q深度（图中“带箭头实线”），便快速退回至R平面（图中“带箭头虚线”），然后再次进给“Q＋d”深度（d为间隙值，由机床系统参数设定），再次退回R平面，如此反复，直到加工到指定深度Zh为止；在图7所示的高速啄钻工艺中，刀具每次循环的退回距离仅为间隙值d，其它与标准啄钻工艺相同。
本发明的具体应用实例：镍基合金Incocel 718的颗粒流润滑钻削试验。刀具为：株洲精钻硬质合金有限公司生产的直径φ6mm的KDG303涂层硬质合金麻花钻，颗粒润滑介质为：粒度2μm的WS2粉末，钻削参数为：转速400r/min、进给量0.02mm/r。当选择图5所示的外加振动辅助润滑时，在振动频率为60Hz、振幅为11.2μm的情况下，颗粒流润滑的切削力波动量比无润滑时显著减小，这说明其断屑排屑更顺畅、切削过程更稳定。当采用图6所示的标准啄钻工艺辅助润滑时，在Q=3.5mm的情况下，颗粒流润滑的最大切削力比浇注润滑减少30%左右、平均切削力下降可达50%。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限定。当本发明用于钻削加工之外的车削、刨削、铣削、磨削等切削工艺时，所采用的具体实施方式会有所差异，凡不脱离本发明技术特征的改动和等同替换，均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (4)

1.一种用于切削加工的颗粒流固体润滑方法，采用振动辅助颗粒流润滑的方式解决切削加工中的减摩、降温问题，其特征在于：
（1）将微纳米粒度的颗粒润滑介质输送到切削加工部位，所采用的颗粒润滑介质包括石墨、MoS2、WS2、Al2O3、SiO2、金刚石粉中的一种或多种，粒度为十几纳米至几十微米；
（2）颗粒润滑介质向切削部位的输送方式包括：通过高压气流雾化后喷向加工部位的喷粉式、流化式，以及其它适用的固体粉末供给方式；
（3）在实现正常切削的同时，采用振动辅助的方法，将颗粒润滑介质导入切削区，并加速它们在刀屑和刀工接触界面间的流动，从而充分发挥颗粒介质的润滑减摩作用。
2.根据权利要求1所述的用于切削加工的颗粒流固体润滑方法，其特征在于：在步骤（3）中，所述的振动是通过振源给刀具或工件施加的各种外加振动，或者是机床本身所具有的刀屑周期分离工艺。
3.根据权利要求2所述的用于切削加工的颗粒流固体润滑方法，其特征在于：所述的外加振动的施加对象是刀具、工件两者之一，或者两者同时；外加振动的频率包括超声频、中频和低频；振幅大于颗粒润滑介质的粒度；振动方式包括单一直线振动、单一扭转振动，或者由两个及两个以上单一振动组合而成的复合振动；振动方向包括切削方向、进刀方向、吃刀方向，以及上述方向的组合。
4.根据权利要求2所述的用于切削加工的颗粒流固体润滑方法，其特征在于：所述的机床本身所具有的刀屑周期分离工艺是指依靠机床自身运动所实现的各种断续切削方法，包括钻削加工中的标准啄钻、高速啄钻形式。
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