基于有限元法的微量润滑绿色磨削温度场分析
纳米粒子射流微量润滑磨削的冷却性能分析
， 说明微量润滑技术还需要进一步改
由强化换热理论可知， 固体的传热能力远大于液 体和气体。常温下固体材料的导热系数要比流体材料 大几个数量级。由此可以预计， 悬浮有金属、 非金属或 聚合物固体粒子的液体的导热系数要比纯液体大许 多。一些学者提出： 将纳米级固体粒子加入微量润滑
·ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ92 ·
一般来说， 采用单步法制备纳米流体具有粒子纯 度高、 颗粒均匀、 分散性好以及悬浮稳定性高等优点。 但是， 这种方法费用较高， 制备量少， 不适于实际的批 量生产应用。 1． 2 两步法制备纳米流体 两步法制备纳米流体就是将一定比例的纳米粒子 添加到基液中， 然后根据纳米粒子材料的物化性能选 择相应的表面分散剂并辅助以超声振动 ， 使得纳米粒 ， 子在基液中均匀稳定的分布 形成悬浮稳定的纳米流 体。 两步法制备纳米流体操作简单方便， 几乎适用于 所有种类的纳米流体制备。采用此方法可直接在市场 上购买不同材料、 不同尺寸的纳米粒子， 直接配制即 可。两步法制备纳米流体的关键在于如何保证纳米粒 子在基液中均匀的分布。 纳米粒子在液体中形成的分散体系， 按照基液的 性质可分为极性和非极性两类分散体系 。在选择分散 剂的种类时必须依赖基液的性质， 采用与基液性质相 阻止粒子 适应的表面分散剂或活性剂包覆纳米粒子 ， 团聚体的形成， 才能够有效地使纳米粒子均匀稳定的 分散。一般配制油基纳米流体时采用的分散剂的种类 PEO 硫醇和油酸等 有： 硫酸酯、
2． 2
。
纳米粒子粒径对纳米流体导热系数的影响 图 2 给出了粒径分别为 100 nm 和 20 nm 的 Cu 纳
考
文
献
［ 1］ J］ ． 工具技术， 2003 ， 宋晓艳． 大余量毛坯孔的加工工艺与刀具设计［
微量润滑系统参数对切削环境空气质量的影响_赵威
Investigation on the Influence of System Parameters on Ambient Air Quality in Minimum Quantity Lubrication Milling Process
ZHAO Wei HE Ning LI Liang YANG Yinfei SHI Qi
(南京航空航天大学机电学院
210016)
摘要：微量润滑(Minimum quantity lubrication，MQL)切削是现代机加工领域一项先进的准干式切削技术，但微量润滑切削过 程中产生的切削油雾仍会影响切削现场的环境空气质量，危害切削场所人员的健康。基于重量分析法，对微量润滑条件下的 切削现场油雾浓度进行了测量与分析，揭示了润滑油用量、供气压力、喷射靶距、射流温度以及润滑油特性等微量润滑系统 参数对切削现场油雾浓度 PM10 与 PM2.5 的影响规律。研究结果表明，润滑油用量是影响切削现场油雾浓度的最主要因素， 随着润滑油用量的增加，切削现场油雾浓度显著增大，应控制在 15 mL/h 以内；在射流温度较低的条件下，空气中悬浮的水 汽会发生凝结与黏附现象，从而造成低温微量润滑条件下的油雾浓度检测结果较室温条件下明显增大，但低温微量润滑条件 下切削现场油雾浓度会随着射流温度的降低而相对降低。 关键词：微量润滑；环境空气质量；油雾浓度 中图分类号：TG502
186 表2
润滑油 种类 A B C D 20℃密度/ (g/cm3) 0.90 0.85 0.90 0.95
机 润滑油物理特性
40 ℃黏度/ (mm2/s) 10 22 22 42
械
工
程
学
报
第 50 卷第 13 期期
增多”的结论一致。
低温微量润滑加工技术研究进展与应用
第３３卷第５期中国机械工程V o l ．３３㊀N o ．５２０２２年３月C H I N A M E C HA N I C A LE N G I N E E R I N Gp p．５２９Ｇ５５０低温微量润滑加工技术研究进展与应用刘明政１㊀李长河１㊀曹华军２㊀张㊀松３㊀陈㊀云４㊀刘㊀波５㊀张乃庆６㊀周宗明７１．青岛理工大学机械与汽车工程学院,青岛,２６６５２０２．重庆大学机械与运载工程学院,重庆,４０００４４３．山东大学机械工程学院,济南,２５００６１４．成都工具研究所有限公司,成都,６１００００５．四川明日宇航工业有限责任公司,什邡,６１８４００６．上海金兆节能科技有限公司,上海,２００４３６７．汉能(青岛)润滑科技有限公司,青岛,２６６１００摘要:综述了低温微量润滑技术的最新进展,阐明了研究成果中的关键科学问题.首先,系统分析了从传统设置到创新设计的低温微量润滑装备在切削中的应用形式和工艺特点.其次,揭示了低温微量润滑的冷却润滑机理及其对切削热力演变和工件表面质量的影响机制.然后,基于低温微量润滑的作用机理和应用形式,系统分析了低温微量润滑在车削㊁铣削㊁磨削中针对典型难加工金属的应用性能,发现低温微量润滑技术对抑制热力耦合损伤及提高表面质量的效果优于低温或微量润滑单独使用.最后,分析了该技术的局限性并展望了其发展方向,为低温微量润滑技术的工程应用提供了参考.关键词:切削;低温微量润滑;应用;机理;性能中图分类号:T H １６D O I :１０．３９６９/j ．i s s n ．１００４ １３２X．２０２２．０５．００２开放科学(资源服务)标识码(O S I D ):R e s e a r c hP r o g r e s s e s a n dA p p l i c a t i o n s o fC M Q L M a c h i n i n g T e c h n o l o g yL I U M i n g z h e n g １㊀L IC h a n g h e １㊀C A O H u a j u n ２㊀Z H A N GS o n g ３㊀C H EN Y u n ４㊀L I U B o ５Z H A N G N a i q i n g ６㊀Z HO UZ o n g m i n g７１．C o l l e g e o fM e c h a n i c a l a n dA u t o m o t i v eE n g i n e e r i n g ,Q i n g d a oT e c h n o l o g i c a lU n i v e r s i t y ,Q i n g d a o ,S h a n d o n g ,２６６５２０２．C o l l e g e o fM e c h a n i c a l a n dV e h i c l eE n g i n e e r i n g ,C h o n g q i n g U n i v e r s i t y ,C h o n g q i n g ,４０００４４３．S c h o o l o fM e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ,S h a n d o n g U n i v e r s i t y,J i n a n ,２５００６１４．C h e n g d uT o o lR e s e a r c h I n s t i t u t eC o ．,L t d ．,C h e n g d u ,６１００００５．S i c h u a nT o m o r r o w A e r o s p a c e I n d u s t r y C o ．,L t d ．,S h i f a n g,S i c h u a n ,６１８４００６．S h a n g h a i J i n z h a oE n e r g y S a v i n g T e c h n o l o g y C o ．,L t d ．,S h a n gh a i ,２００４３６７．H a n n e n g (Q i n g d a o )L u b r i c a t i o nT e c h n o l o g y C o ．,L t d ．,Q i n g d a o ,S h a n d o n g,２６６１００A b s t r a c t :T h e l a t e s t d e v e l o p m e n t o f C MQ L t e c h n o l o g y w a s r e v i e w e d ,a n d t h e k e y sc i e n t i f i c p r o b Ｇl e m s i n t h e r e s e a r c h r e s u l t sw e r e c l a r i f i ed ．F i r s t l y ,t he a p p l i c a t i o nf o r m s a n d t e c h n o l og y ch a r a c t e r i s Ｇt i c s o fC MQ Le q u i p m e n t i n c u t t i n gp r o c e s s e sw e r e s y s t e m a t i c a l l y a n a l y z e d f r o mt r a d i t i o n a l s e t t i n g to i n n o v a t i v ed e s i g n ．S e c o n d l y ,t h e c o o l i n g an d l u b r i c a t i o nm e c h a n i s mo f C MQ La n d t h e i n f l u e n c em e c h Ｇa n i s mo nc u t t i n g t h e r m o Ｇf o r c ee v o l u t i o na n dw o r k p i e c es u r f a c e q u a l i t y we r er e v e a l e d ．F u r t h e r m o r e ,C MQ La p p l i c a t i o n p e rf o r m a n c e s i n t u r n i ng ,m i l l i n g a n d g r i n d i n g f o r t y pi c a l d i f f i c u l t Ｇt o Ｇm a c h i n e dm e t Ｇa l sw e r es y s t e m a t i c a l l y a n a l y z e db a s e do nt h ea c t i o n m e c h a n i s ma n da p p l i c a t i o nf o r m．T h ee f f e c to f C MQ Lo n r e s t r a i n i n g t h e r m a l Ｇm e c h a n i c a l c o u p l i n g d a m a g e a n d i m p r o v i n g q u a l i t y wa sb e t t e r t h a n t h a t o fc r y o g e n i c a nd MQ La l o ne ．F i n a l l y ,t h e l i m i t a t i o n s of t h e t e c h n o l og y a n d th e d e v e l o pm e n t d i r e c t i o n w e r e a n a l y z e d ,w h i c h p r o v i d e s t h e r e f e r e n c e f o r t h e e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s o fC MQ Lt e c h n o l o g y ．K e y wo r d s :c u t t i n g ;c r y o g e n i cm i n i m u m q u a n t i t y l u b r i c a t i o n (C MQ L );a p p l i c a t i o n ;m e c h a n i s m ;pe rf o r m a n c e 收稿日期:２０２１１０２７基金项目:国家重点研发计划(２０２０Y F B ２０１０５００);国家自然科学基金(５１９７５３０５,５１９０５２８９);山东省自然科学基金重点项目(Z R ２０２０K E ０２７);山东省自然科学基金(Z R ２０２１Q E １１６)０㊀引言目前,切削仍然是金属材料最重要的机械加工方式.切削加工过程中,改善切削界面的摩擦学性能是提高切削性能的关键要素.切削液的使９２５ Copyright ©博看网. All Rights Reserved.用已有数百年历史,在金属切削过程中发挥了显著的冷却润滑作用.在实际生产中,因刀具与工件之间剧烈摩擦,切削区长时间处于高温状态,导致切削液出现局部沸腾现象,大量微气泡形成的连续油气膜导致热阻大幅提高,严重降低热量传递效率[１].切削液使用量巨大且受热挥发形成的微颗粒严重危害工人身体健康,不符合清洁生产的标准.浇注式冷却需要复杂的切削液循环系统,成本高昂.据统计,在欧洲汽车制造业,刀具成本通常只占生产成本的２％~４％,而切削液相关成本已超过刀具成本,占到生产成本的７％~１７％[２].因此,清洁低耗的冷却润滑工艺取代浇注式已成为必然.随着机械工业的发展,绿色清洁制造已成为未来机械制造领域必然的发展趋势.经过国内外学者大量的研究和实践,目前成熟应用的绿色切削技术主要有干切削和微量润滑辅助切削.虽然这两种技术应用效果良好,但依然存在不可忽视的缺陷.(１)干切削的优点是不使用切削液,避免了急冷现象,减少了工件表面微裂纹的产生,且无需废液处理,降低了生产成本,清洁无污染;缺点是需在特殊工艺条件下针对非难加工材料才会体现出理想效果,局限性强.对于难加工金属材料,切削区高温导致切屑严重黏附在刀具上,加剧刀具磨损和工件表面质量恶化,因此,干切削不适用于难加工金属材料.(２)准干式微量润滑(m i n i m u m q u a n t i t y l uＧb r i c a t i o n,MQ L)技术是通过高速气体将雾化微液滴喷入切削区,减轻刀具与工件间的摩擦.基于绿色加工要求,植物油替代传统矿物油作为基础油,同样具有良好的润滑性能,还因可生物降解而对环境无污染[３].但MQ L冷却性能不足,高温易导致油膜破裂㊁解吸附甚至氧化失效,切削区域不能形成连续的油膜润滑.纳米流体微量润滑(n a n o f l u i d s m i n i m u m q u a n t i t y l u b r i c a t i o n, NMQ L)技术是以MQ L技术为基础发展起来的新型冷却润滑方式.通过在润滑油中添加高热导率的纳米粒子,实现强化换热,改善界面的摩擦性能[４].但在切削区高温环境(６００~１０００ħ)下,纳米粒子的换热能力依然有限,与MQ L相比温度下降比例仅为１０％~１５％.实际生产中, MQ L或NMQ L用于非难加工材料,如中低碳钢[５]㊁铝合金[６]㊁镁合金[７]等,且已取得了良好的效果;对于难加工材料切削的极端环境,如钛合金[８]㊁镍基合金[９]㊁高强度钢[１０]等,虽有增益,但降温上限值低,工件表面仍存在黏附点㊁烧伤点等缺陷,热耗散难题依旧无法被有效解决.切削过程中热耗散困难已成为制约工件表面质量提高的技术瓶颈,亟需一种高效㊁显著㊁环保的冷却工艺.经过多年的实践应用,低温加工技术展现出优异的冷却性能[１１].低温技术具有０~－１９６ħ的温度域,所应用的介质及其温度范围如下:①低温冷风(c r y o g e n i ca i r,C A),－５０~０ħ;②液态二氧化碳(l i q u i dc a r b o n d i o x i d e, L C O２),－７８．５~－２５ħ;③液氮(l i q u i dn i t r oＧg e n,L N２),－１９６~－８０ħ[１２Ｇ１３].通过将低温介质喷射到切削区,基于低温介质的物理特性(如剧烈气化吸热㊁高流速等),利用巨大温差和增大换热面积进行强化换热,有效降低切削区温度.低温可以抑制工件热软化,适度增加工件表面硬度和减弱切屑对刀具的黏附作用,改善切削性能,既能提高工件表面质量,又能显著延长刀具寿命,实现增益效果.进一步,通过采用不同温度域值的低温介质以适应不同加工形式及对应参数,实现切削区温度维持在合理的低温区间,防止冷却不足或工件过度冷却硬化.但低温技术缺乏润滑性能,抗磨减摩能力有待提高.随着技术进步,将低温和MQ L(NMQ L)进行有机结合的低温微量润滑(c r y o g e n i cm i n i m u m q u a n t i t y l u b r i c a t i o n,C MQ L)技术实现了两种技术之间优势互补,既可大幅降低切削区温度,也可使油膜保持有效润滑能力,对提高工件质量起到关键作用,体现出独特优势.本文综述了典型金属材料的低温微量润滑加工技术的研究进展和应用,归纳了C MQ L装置在不同加工方式下的应用形式及工艺特点,分析了C MQ L技术的作用机理,对比分析了C MQ L技术在车削㊁铣削及磨削加工中相对于微量润滑技术或低温技术在降低切削热㊁力及提高表面质量方面的效果,通过综述分析得出结论并展望C MQ L加工技术的发展前景,旨在为C MQ L技术基础研究和工程应用提供参考.１㊀低温微量润滑应用形式研究C MQ L技术在各种加工工艺(如车削㊁铣削㊁钻削㊁磨削)中的供给形式不同,所产生的效果也不相同.一般来说,切削加工中的低温/润滑介质是通过不同类型输运管道及其喷嘴以射流的方式喷射到切削区.介质供给形式主要分为两种:①介质通过外置刀具或工件附近的输运管道及喷嘴喷射(简称 外喷式 );②介质通过内置在０３５中国机械工程第３３卷第５期２０２２年３月上半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.刀具或刀柄中的输运管道及喷嘴喷射(简称 内喷式 ).目前,关于不同加工方式低温和润滑介质供给的研究集中在外喷式,因为不用改造机床就能实现.随着技术的发展,在铣削和钻削过程中,通过对机床主轴㊁刀柄和刀具进行内部结构改造,已实现低温或润滑介质内部供给,精确输送到切削区.对于车削,通过在刀柄内部设置通道,将低温介质引流至加工区域,进而实现集成化加工.１．１㊀C M Q L外喷式外喷式冷却是指低温和润滑介质通过外置输运管道及其喷嘴,在高压及一定距离和角度条件下,以射流的形式喷射到切削区域.每种加工方式均可使用L N２㊁L C O２和C A三种低温介质,典型应用如图１所示[１４Ｇ１６].外喷式冷却系统的优点在于结构简单㊁操作简便,只需将低温和润滑介质输运装置固定在机床相应位置,无需改造机床结构.常规单喷嘴存在冷却润滑介质难以完整覆盖刀具实际工作面的问题,为解决这一问题,P UＧS A V E C等[１７]设计了 多喷头指向式 射流喷射的结构,通过改变喷嘴数量和位置实现介质覆盖刀具有效工作面.目前新型供给装置是通过优化刀架结构实现,B I E R MA N N等[１８]在刀架上安装了输送低温润滑介质的多管道嵌套装置,低温介质出口位于喷管尖端,MQ L出口位于喷管本体的中部,润滑油雾化微液滴到达喷管尖端后,受到低温射流的携带作用而混合,有效覆盖前后刀面.图１㊀三种低温介质典型加工应用形式[１４Ｇ１６]F i g．１㊀T h r e e t y p i c a l p r o c e s s i n g a p p l i c a t i o n s o f c r y o g e n i cm e d i u m[１４Ｇ１６]㊀㊀鉴于不同加工形式的特征,外喷式冷却更适用于车削和磨削.对于车削,内喷需在刀具体内设置通道,如在车刀刀刃附近开设通道,这会降低刀体强度,缩短刀具寿命,且车刀固定在刀架,外喷有利于低温介质有效覆盖刀面及切削刃.对于磨削,虽然已有内供液式砂轮,但不适合超低温介质,且内部结构改造复杂,成本高昂,没有实用价值,而砂轮高速旋转,外喷有利于将低温介质带入磨削界面,有效发挥换热作用.对于铣削,铣刀(立铣刀或盘铣刀)的切削刃或刀片均是间隔排布,高速旋转过程将产生气流场,显著降低外部介质的射流速度,导致进入切削区的有效流量率下降.对于钻削,钻孔空间封闭性强,低温射流难以有效进入,无法有效发挥冷却效果[１９].铣削或钻削的加工特性及刀具的特殊结构决定了内喷式是最佳冷却方式.１．２㊀C M Q L内喷式内喷式冷却已逐渐成为铣削或钻削加工过程中冷却介质的主流供给形式.通过刀具㊁刀柄和机床主轴的内部结构改造,可以实现将低温润滑介质由内腔通道精确喷射到切削区,提高了介质利用率,实现定点定量冷却.以铣削为例,立铣刀中间设有内部供给通道,通道充分考虑了介质流动条件㊁切削刃与通道间的热阻以及刀体机械结构强度,如图２a所示.除了单直通道,内喷式立铣刀内通道结构还有双直通道(d o u b l es t r a i g h t c h a n n e l,D S C)和双螺旋通道(d o u b l e h e l i c a l c h a n n e l,D H C)两种[２０],如图２b所示,其中,钻削过程常用双螺旋通道结构的钻头.内通道结构会对微液滴粒径分布产生明显影响,出口可以设置在不同的位置,以适应不同加工条件.例如,针对非难加工材料,出口可引导低温介质(L N２㊁L C O２)离开工件,以防止过度冷却而引起尺寸变化[２１],如图２c所示;针对难加工材料,出口可引导低温介质喷到加工表面,增大降温幅度,保证零件表面完整性[２０],如图２d所示;针对大切深加工,出口可设在铣刀端部,确保低温介质有效喷到切削界面[２２],如图２e所示.对于L N２,润滑油无法溶于L N２并且在－１９６ħ下会凝结成固体,导致喷嘴堵塞,因此无法将冷却介质和润滑介质混合后通过一个喷嘴喷出.L N２通常通过内通道供给,微量润滑油通过外通道供给.L C O２或C A也可采用内外供给的形式.L C O２,尤其是超临界二氧化碳(s u p e r c r i t iＧc a l c a r b o nd i o x i d e,s c C O２),相比于L N２的最大优势是对润滑油具有良好的溶解性,这使得１３５低温微量润滑加工技术研究进展与应用 刘明政㊀李长河㊀曹华军等Copyright©博看网. All Rights Reserved.(a)单直通道(b)双直通道和双螺旋通道㊀(c)背向喷射㊀㊀㊀(d)前向喷射㊀㊀(e)底部喷射图２㊀内喷式铣刀通道结构及喷射方式[２１Ｇ２２]F i g．２㊀T u n n e l s t r u c t u r e a n d j e tm o d e o f i n t e r n a lＧj e tm i l l i n g c u t t e r[２１Ｇ２２]L C O２或s c C O２与微量润滑油混合后喷射到切削区成为可能.此外,L C O２和MQ L之间没有负相互作用.与s c C O２相比,L C O２更容易处理和获得,在机械加工领域应用更加广泛.G R G UＧR A S等[２３]对不同极性润滑油在L C O２中的溶解度㊁射流雾化后液滴粒径分布及刀具寿命进行了对比研究,结果表明非极性润滑油溶解度高,雾化后粒径均匀且相同切削参数下刀具寿命更长.B E R G S等[２４]比较了两种输运方式下铣刀寿命,结果表明LC O２和微量润滑油混合后通过单通道喷射能够有效到达切削区起到冷却润滑作用,大幅延长铣刀寿命,如图３所示.使用L C O２作为冷却介质的新型C r y o∙t e c T M 铣刀为盘式结构[２５],其刀柄内部设有两个同心通道,内层通道(绿色)输送L C O２,外层通道(红色)输送MQ L,实现L C O２和润滑介质分离,如图４所示.同心通道在主轴末端分裂成多个通道,指向各个刀片.在主轴高速旋转过程中从内部将冷却润滑介质喷射到切削区,极大提高了渗透率.然而,该方法需要改造机床结构以匹配适合安装刀柄的主轴.为实现不改造机床结构就能将低温介质输运到工作界面,内喷式刀柄转接装置应运而生.以铣刀为例,内喷式刀柄转接装置主要由刀柄主体和转接器组成,如图５a所示.刀柄主体实现机床主轴与铣刀的连接.转接器固定于主轴箱体上,轴承实现L N２通道与主轴相对转动.L N２从接图３㊀L C O２＋M Q L两种供给方式的应用效果对比[２４] F i g．３㊀C o m p a r i s o no f a p p l i c a t i o n e f f e c t o f t w ok i n d s o fL C O２＋M Q Ls u p p l y m e t h o d s[２４]图４㊀新型C r y o∙t e c T M铣刀内部结构[２５]F i g．４㊀I n t e r n a l s t r u c t u r e o f n e wC r y o∙t e c T Mm i l l i n g c u t t e r[２５]口流入刀柄主体内部的环形空腔中,通过铣刀的内部通道,从铣刀端部或者侧面喷出[２６].盘铣刀同样也可在不改动主轴结构的基础上应用转接刀柄实现低温介质的输运[２７],如图５b所示.针对内喷式刀柄转接装置的性能,李宽等[２８]仿真分析了输运L N２条件下刀柄主体的温度场,结果显示覆盖聚四氟乙烯隔热层能有效保证轴承㊁锥形夹２３５中国机械工程第３３卷第５期２０２２年３月上半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.(a)内喷式立铣刀刀柄转接装置(b)内喷式盘铣刀刀柄转接装置图５㊀内喷式铣削刀柄转接装置[２６Ｇ２８]F i g．５㊀I n t e r n a l j e tm i l l i n g t o o l h o l d e r a d a p t e r[２６Ｇ２８]头正常工作.T A HMA S E B I等[２２]采用流体动力学的方法探究了L N２输运过程的流动特性以及空化效应㊁隔热性能㊁喷嘴形状对输运效率的影响,结果表明改善隔热性能有助于将L N２输送到铣刀出口,提高冷却性能.相较于外喷式冷却,内喷式冷却具有精准㊁直接㊁高效的特点,并且装置整体集成度高,但内喷式冷却对相关装备(刀具内通道结构㊁刀柄隔热/密封性能及机床集成性)与低温介质输运/调控技术的要求高,实施难度大.具体表现为高压强制流动的低温介质严重影响主轴内部关键部件的结构和材料性能,进而降低隔热和动密封作用,导致低温介质泄漏与热损失,且难以避免超低温对主轴精度的影响.另外,从容器中释放后的L N２或L C O２会发生剧烈的相变过程,输运过程中难以维持低含气率,难以稳定流量㊁压力和温度.因此,开发性能稳定的内喷式刀柄㊁集成化低温介质输运机床结构以及介质调控系统已成为内喷式冷却应用亟待解决的科学问题.基于此,王永青等[２９Ｇ３０]提出了局限空间内定向导引与热阻强化的隔热方法,研制了确保L N２稳定输运的中空隔热主轴和刀柄,并发明了国内首台L N２内喷式加工机床C VM６００以及L N CＧ１００型独立式L N２流量调控装置,如图６所示.试验结果表明主轴隔热㊁密封性能良好,L N２输运稳定且调控精准度高.进一步,王永青等[３１]探究了L N２内喷式主轴迷宫密封件的结构变形对密封性能的影响规律,结果显示,超低温环境下,密封件收缩变形导致迷宫密封间隙明显增加,－１８８ħ条件下L N２泄漏量是原来的２倍,密封性能降低.熊伟强等[３２]提出了新型s c C O２＋MQ L技术,发明了s c C O２复合喷雾系统及其专用喷嘴,并应用于难加工材料切削试验研究中.(a)液氮流量调控装置(b)液氮内喷式超低温冷却加工机床图６㊀内喷式超低温冷却加工机床及L N２调控装置[３１] F i g．６㊀I n t e r n a l j e t i n j e c t i o n t y p e u l t r aＧl o wt e m p e r a t u r e c o o l i n gp r o c e s s i n g m a c h i n e a n dL N２c o n t r o l d e v i c e[３１]１．３㊀C M Q L装置类型及适应性不同切削形式的工作特征存在差别,如刀具结构㊁刀具运动形式,这就导致C MQ L装置对不同切削类型产生不同的适应性和冷却润滑效果.对C MQ L装置适用性的归纳总结如表１所示.３３５低温微量润滑加工技术研究进展与应用 刘明政㊀李长河㊀曹华军等Copyright©博看网. All Rights Reserved.表１㊀C M Q L 装置在不同加工形式下的适应性和效果T a b ．１㊀A d ap t a b i l i t y a n d e f f e c t o fC M Q Ld e v i c e i nd i f f e r e n tm a c h i n i n g fo r m s 介质输运形式原理图应用介质适用方式应用效果外喷式分别通过外置单喷嘴喷射供给分别通过外置多喷嘴喷射供给低温介质和润滑油混合,通过单喷嘴或多喷嘴喷射供给L N ２＋MQ L L C O ２＋MQ L C A＋MQ LL C O ２＋MQ L C A＋MQ L车削(连续性)铣削(间隔性)磨削(随机磨粒)㊀三种C MQ L 介质均适用于车削,多组外置喷嘴更有利于提高介质覆盖率.㊀高速旋转铣刀的间隔切削刃阻止C MQ L 介质有效进入切削区.㊀L N ２和L C O ２会导致润滑油在砂轮表面严重结冰,堵塞磨粒间隙,影响润滑效果;C A 更适合于磨削.内喷式低温介质通过刀柄内通道㊁MQ L 通过外置喷嘴喷射供给L N ２＋MQL L C O ２＋MQL 低温介质通过刀具内通道㊁MQ L 通过外置喷嘴喷射供给L N ２＋MQL L C O ２＋MQL 低温介质和润滑油非混合,各自通过刀具内通道喷射供给L C O ２＋MQ L C A＋MQ L低温介质和润滑油混合,通过单喷嘴喷射供给L C O ２＋MQ L s c C O ２＋MQL 车削(连续性)铣削(间隔性)㊀有利于低温介质有效渗透刀具与工件的接触界面,增加介质的覆盖面积.㊀适用于立铣刀,极大提高了低温介质渗透效果;高速旋转的铣刀仍然影响润滑油的渗透性.㊀适用于盘铣刀,极大提高了C MQ L 介质的渗透效果.㊀适用于立铣刀,极大提高了C MQ L 介质的渗透效果.２㊀低温微量润滑作用机理由于难加工金属材料的高强度和低导热性,其切削过程中复杂的热力作用是影响工件表面质量的主要原因.低温技术和MQ L (NMQ L )技术的工作原理完全不同,两者结合之后的冷却润滑机制会发生变化.C MQ L 可以通过改变工件材料的本构关系来影响热软化效应.C MQ L 对切削热㊁力及工件表面质量的影响规律是需要解决的科学问题.２．１㊀C M Q L 润滑机理微量润滑油(植物油)在高压高速气体携带作用下以气雾形式渗入切削区,通过极性基团吸附在刀具与切屑界面以及刀具与工件界面形成边界润滑膜,在一定程度上隔阻了刀具前刀面与切屑以及后刀面与工件界面的直接干摩擦.但在切削区高速㊁高温㊁高压条件下,润滑油黏度降低,油膜变得稀薄并发生破裂,无法完全覆盖工件表面的微沟槽.另外,超过临界温度后,润滑膜会出现解吸附现象,吸附膜失效,润滑性能下降,导致刀具与工件界面仍出现干摩擦,直至再次渗透浸润才能形成油膜,降低了润滑效果,进而影响了工件加工质量.对于C MQ L ,低温状态下的润滑油黏度大,油膜厚度可使摩擦面保持完全隔开的有效状态,承载能力较高,如图７a 所示;同时,低温介质使切削区温度维持在相对较低水平,不仅使润滑膜保持较高吸附性,还可避免高温导致油膜氧化失效,如图７b 所示[３３].然而,低温会使微液滴表面张力和接触角出现一定程度的增大,引起油膜铺展面积减小,导致润滑油对刀具与工件界面毛细通道的渗透能力降低,对润滑能力产生一定影响,如图７c 所示.４３５ 中国机械工程第３３卷第５期２０２２年３月上半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.㊀㊀㊀㊀㊀(a)C MQ L和MQ L对黏度影响㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀(b)C MQ L和MQ L 对油膜活性影响(c)C MQ L和MQ L对液滴润湿性影响图７㊀C M Q L润滑机制[３３]F i g．７㊀L u b r i c a t i o nm e c h a n i s mo fC M Q L[３３]㊀㊀MQ L的润滑性能并非绝对随着环境温度降低而升高.润滑油存在凝点,当环境温度高于凝点时,微液滴黏度在低温环境中逐渐升高,起到有效润滑和承载作用;当环境温度下降到润滑油凝点之下后,微液滴会凝固成冰粒,完全丧失流动性,难以有效在刀具与工件界面形成润滑膜.为保持MQ L的润滑性能,低温介质和润滑介质的供给顺序十分重要:在浅冷条件下(温度高于凝点),可同时喷射两种介质;在深冷条件下(温度低于或远低于凝点),可先喷射润滑油,使其形成油膜,再喷射低温介质.这样即使温度过低,切削区温度仍可使油膜处于高黏度液态,防止结冰.２．２㊀C M Q L冷却机理C MQ L介质以射流的形式喷射到切削区,冷却润滑介质耦合作用下的叠加降温机制如图８所示.(１)在切削过程中,冷却介质与切削区的刀具和工件进行换热时,遵循以下对流换热公式:Q＝h AΔT(１)式中,Q为切削热量,J;h为传热系数,J/(m２ K);A为换热面积,m２;ΔT为温差,K.由式(１)可知,热量大小与切削区温差成正比,温差越大,交换热量越多,冷却效果越明显.从换热角度,L N２温度范围为－１９６~－８０ħ,与切削区高温形成巨大温差,降温效果最好,且对高速切图８㊀C M Q L叠加降温机制F i g．８㊀S u p e r p o s e d c o o l i n g m e c h a n i s mo fC M Q L 削过程中的高温环境起到明显降温作用;L C O２/ s c C O２温度范围为－７８．５~－２５ħ,适用于中等速度的切削过程;C A温度范围通常为－５０~０ħ,并且温度可控,可以根据实际情况进行调整以控制切削区温度.高速流动的低温冷风有助于增大对流换热面积,进一步增强换热能力.低温环境有利于提高润滑膜生存能力,有效减轻刀具与工件间的摩擦,抑制加工热效应.另外,低温介质可能导致润滑油凝固,在切削区摩擦界面发生润滑油由固态到液态的相变过程,吸收一定热量[３４].５３５低温微量润滑加工技术研究进展与应用 刘明政㊀李长河㊀曹华军等Copyright©博看网. All Rights Reserved.(２)界面高温会减小金属材料表面/亚表面晶粒位错密度和界面密度,降低对位错的阻碍,进而加快位错运动速度;会改变位错的运动方式,使位错可在水平和垂直方向上攀移,更容易绕过小尺寸障碍.另外,高温会引起原子间距增大,金属键变弱而易断裂,容易发生塑性变形[３５].以上因素使金属材料纤维组织发生变化而引起热软化,导致摩擦加剧㊁切削热增加㊁切屑对刀具黏附作用加强,严重影响工件表面加工质量.切削过程中,工件表面硬度主要受加工硬化和温度影响.C MQ L 不仅可以冷却切削区域,还可以改变工件材料的性能,但低温和MQ L的影响机制并不相同. MQ L(NMQ L)通过润滑油膜降低工件与刀具间的摩擦热,使工件材料对刀具黏合力减小,松弛黏附可以显著抑制工件塑性变形,减小加工硬化[３６].低温通过改变材料本构关系,使工件材料的晶粒变得细化和致密,抑制热软化,但可能存在过度硬化现象,即低温是通过影响材料的本构关系而从能量的本质上降低切削热.因此,应合理选用低温介质,使工件维持合适硬度,有效减小材料的断裂应变,进而降低断裂应变能.例如,对于中/低碳钢,可选用冷风浅冷辅助;对于钛合金㊁镍基合金等难加工材料,可选用L C O２或L N２深冷辅助. (３)在切削区被移除的热量中,除了低温介质强化换热移除的大部分热量外,还有一部分热量被润滑油的沸腾换热作用所移除[３７].沸腾换热过程可以分为自然对流换热㊁核态沸腾换热㊁过渡沸腾换热以及膜态沸腾换热４个阶段,如图９所示[３８].前两个阶段称为成核阶段,后两个阶段称为成膜阶段.在成核阶段,热导率随温度升高而增大,超过临界温度后到达成膜阶段,热导率迅速减小,进而换热效果显著降低.Z H A N G等[３８]研图９㊀不同工况沸腾换热机制对传热系数的影响[３８]F i g．９㊀I n f l u e n c e o f b o i l i n g h e a t t r a n s f e rm e c h a n i s mo n h e a t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t u n d e r d i f f e r e n t c o n d i t i o n s[３８]究了NMQ L辅助磨削T iＧ６A lＧ４V过程中引入C A对传热系数的影响,结果表明NMQ L单独使用时降温能力有限,切削区温度超过临界温度,而C A＋NMQ L可以有效降低切削区温度,相较于NMQ L下降了３１．６％,温度阈值低于成核成膜的临界温度,因而润滑油传热系数提高了５０．１％,大幅增强了换热能力.２．３㊀C M Q L对切削力影响机理切削过程中使用MQ L(NMQ L)可明显减小切削力,这是因为极性油雾颗粒吸附在刀具与工件界面形成一层物理膜,起到润滑和承载作用.在润滑油中添加的纳米粒子,如M o S２㊁碳纳米管㊁A l２O３等,进入刀具与工件界面起到 滚珠 作用,以滚动摩擦代替原本的滑动摩擦,可有效减小切削力.低温介质(L N２㊁L C O２㊁C A)对刀具与工件界面的不同冷却程度会对切向力(主切削力)㊁轴向力(进给力)㊁径向力(背向力)的变化趋势产生不同影响.低温介质通常是喷射到前刀面㊁后刀面或同时喷到两者之上.以车削过程L N２冷却为例,喷到前刀面可降低刀具与切屑间的黏附作用从而减小摩擦力,但L N２的深冷作用会使工件产生一定程度硬化,使得克服材料变形难度增加,导致切削力增大[３９].材料硬化和减小摩擦的竞争关系影响低温加工过程中切削力的变化趋势,这与工件的冷却程度直接相关.L N２在前刀面与切屑间隙的喷射深度影响工件冷却程度[４０Ｇ４１].对于图１０a所示的工况一, L N２直接喷射到切屑根部,冷却程度高,使工件材料硬度变大.虽然L N２可以减小摩擦力,但减小幅度小于工件深冷硬化后切削力增大幅度,因而主切削力增大.L N２单独喷射在后刀面或前刀面上时,相较于干切削,进给力分别下降２．３％㊁９．５％,表明摩擦力减小量大于切削力增大量; L N２同时喷前后刀面时,深冷作用使材料去除难度增加,切削力增大量大于摩擦力减小量,因此相比单独喷射前刀面,进给力增大,但幅度不大,只有１．７％.径向力增大是因为L N２使工件局部硬度增大,温度越低,硬化程度越高,径向力越大.对于工况二,如图１０b所示,L N２在前刀面喷射位置距离切屑根部相对较远,工件表面硬化程度低,所以材料去除对切削力的影响较小.此时,L N２喷射位置对工件与刀具界面摩擦力的影响将直接决定切削力变化.以主切削力为例,不同切削参数下,相较于干切削,同时喷射前后刀面的主切削力均减小,最大减幅为８．１％;只喷射前６３５中国机械工程第３３卷第５期２０２２年３月上半月Copyright©博看网. 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生物润滑剂微量润滑磨削GH4169 镍基合金性能实验评价
第50卷第12期表面技术2021年12月SURFACE TECHNOLOGY·71·生物润滑剂微量润滑磨削GH4169镍基合金性能实验评价施壮1，郭树明1，刘红军2，李长河1，张彦彬1，杨敏1，陈云3，刘波4，周宗明5，聂晓霖6（1.青岛理工大学 机械与汽车工程学院，山东 青岛 266520；2.机械工业信息研究院，北京 100037；3.成都工具研究所有限公司，成都 610500；4.四川明日宇航工业有限责任公司, 四川 什邡 618400；5.汉能（青岛）润滑科技有限公司，山东 青岛 266200；6.南京科润工业介质股份有限公司，南京 211106）摘要：目的改善蓖麻油的综合润滑性能，尝试与黏度较小、流动性好的其他植物油混合，探究混合植物油同纯蓖麻油磨削GH4169镍基合金时的润滑性能差异。
方法先进行1︰1混合植物油的探索性实验，以比磨削能、比磨削力、表面粗糙度、磨削温度为筛选参数，对筛选出的3个较优组同纯蓖麻油做对比，得出最优组，从脂肪酸角度分析润滑性能改善原因，并测量油膜接触角，进行验证。
由于脂肪酸种类及含量的差异造成了润滑性能的不同，通过调节最优组的不同体积配比，改变其油液的脂肪酸含量占比，对相同的评价参数做进一步实验探究，分析脂肪酸含量占比变化对润滑性能的影响程度，最后根据表面微观形貌进行验证性分析。
结果探索性实验得到的3个较优组分别为棕榈油、大豆油、玉米油同蓖麻油的混合组，发现随着这3组的不饱和脂肪酸含量依次提高，微液滴的接触角逐步减小。
蓖麻油/大豆油在3组中的磨削温度最低，为100.7 ℃；表面微观形貌最优；接触角最合适，为70°；不饱和脂肪酸含量占比（质量分数）最合适，为66.5%。
经过不同体积配比，进一步发现，随着不饱和脂肪酸占比逐步增大，润滑性能的评价参数在整体趋势上均阶段性地先减小、后增大，但在相邻的每种配比之间，各参数并不随不饱和脂肪酸占比的逐步增大而出现明显规律性。
乏油润滑直齿轮传动瞬态温度场主要影响因素分析
乏油润滑直齿轮传动瞬态温度场主要影响因素分析丁有永;朱如鹏;李政民卿【摘要】利用摩擦学、传热学、赫兹接触等理论,给出了轮齿不同啮合位置的摩擦热流密度以及轮齿端面、轮齿齿面等区域的对流换热系数的计算方法,建立了轮齿本体温度场有限元分析模型,获得了齿轮轮齿稳态温度场,在稳态热分析的基础上,采用有限元法进行瞬态热分析,得到了啮合过程中轮齿齿面瞬态温度场分布,并考虑润滑油粘度、齿宽、载荷和转速对瞬态温度场的影响.研究结果表明:乏油瞬时最大温度出现在齿根附近;润滑油动力粘度对乏油润滑瞬态温度场影响不大;减小齿宽不能降低乏油瞬态温度;载荷和转速对乏油瞬态温度场影响较大.【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2013(042)005【总页数】4页(P40-43)【关键词】乏油润滑;直齿轮;热流密度;对流换热系数;瞬态温度场【作者】丁有永;朱如鹏;李政民卿【作者单位】南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016;南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016【正文语种】中文【中图分类】TH1320 引言在很多实际工程应用润滑中，常常会出现润滑油供应不足，即乏油的情况，严重的乏油将会使得齿轮传动失效［1］。
闫玉涛等［1～2］开展了锥齿轮乏油润滑下稳态本体温度场研究。
王延忠等人对航空螺旋锥齿轮润滑过程进行了分析，理论分析了轮齿表面的温度变化［3］。
龙慧等人对高速齿轮的温度场进行了模拟，对降低轮齿温度提出了一些方法［4］。
目前，针对乏油润滑直齿轮传动的瞬态温度场研究较少。
本文利用摩擦学、传热学、赫兹接触等理论，给出了乏油润滑直齿轮齿面摩擦系数、轮齿不同啮合位置的摩擦热流密度以及轮齿端面、轮齿齿面等区域的对流换热系数的计算方法;建立了轮齿本体温度场有限元分析模型，获得了齿轮轮齿的稳态温度场和瞬态温度场分布，分析了润滑油粘度、齿宽、载荷和转速对瞬态温度场的影响。
基于无油润滑的弧齿锥齿轮的三维瞬态温度场仿真分析
之
一
，
也 是 传 动 系 统 中最 薄 弱 的 环 节 之
。
一
，
许 多传 动 系统
尚属 首 次
1
。
的失效都发 生 在 弧 齿锥 齿 轮上
，
其 主 要 失 效 形 式 为齿 面
、
弧 齿 锥 齿轮 有 限 元 模 型 的 建 立 弧 齿 锥 齿 轮 齿 面 采 样 点 的来 源 主 要 有 三 种
，
的 点 蚀 和 胶 合 这 已 成 为 传 动 系 统 向高 速 重 载 方 向 发 展 的
—
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轧机轴承润滑油膜温度场有限元分析
的模型来说 ，最高温度出现在出１ ３；转速对油膜的温升影响很大 ，转速越高 ，温升梯度越大；改变进 口压力对油膜的温
度 与 润滑 油 的黏 度基 本 没有 影 响 。
关键 词 ：油 膜轴 承 ；有 限元 法 ；温度 场 ；黏 度 中 图分 类号 ：Ｔ ３ ３ 文 献标 识 码 ：Ａ 文章 编号 ：０ ５ ０５ （０ １ — ３ ４ Ｇ３ ２ ４— １０ ２ １ ）１ ０ ９—
轧机油膜轴承是轧机的心脏 ，对其 的研究与改进 是很有必要 的。油膜轴承通过楔形效应所产生的压力 来平衡外载 ，油膜是 润 滑 良好 的核 心 。在 润滑 过 程 中，油膜 的温升是 由功耗变热引起 的，楔形区的油膜 受到剪切作用会产生热量 ，此外热传导和质点温升也 增加内能 ，这些热量不能完全 以对流和传热的方式散 发掉 ，结果 导致 油膜 温升 ，这 直接 影 响润 滑油 的黏 度 ，甚至造成轴承的烧损 ，因此要研究油膜 轴承运行 过程中的温升 ，以改善润 滑条件 。 由于轴承 的不确定因素比较多 ，导致运行过程 的
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微细铣削应力场和温度场的有限元模拟
微细铣削应力场和温度场的有限元模拟孙雅洲;孟庆鑫;韩丽丽;刘海涛【期刊名称】《现代制造工程》【年(卷),期】2008(000)012【摘要】采用有限元方法对微细铣削过程进行模拟,采用Johnson-Cook热力耦合模型作为工件材料模型,采用Johnson-Cook的剪切失效法则作为工件材料的失效准则,采用热力耦合平面应变杂交单元并使用自适应网格技术进行网格划分,刀具与工件间的摩擦采用滑动摩擦区和粘着摩擦区相结合的修正库仑定律.通过有限元分析,得到不同切削速度和刀具切削刃钝圆半径条件下形成切屑时的刀具旋转角度、不同每齿进给量条件下的应力场和温度场.分析结果为微细铣削机理的进一步研究奠定基础.【总页数】4页(P66-69)【作者】孙雅洲;孟庆鑫;韩丽丽;刘海涛【作者单位】哈尔滨工程大学机电工程学院,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学机电工程学院,哈尔滨,150001;哈尔滨工程大学机电工程学院,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学机电工程学院,哈尔滨,150001;哈尔滨工业大学机电工程学院,哈尔滨,150001【正文语种】中文【中图分类】TG501.2【相关文献】1.板坯连铸倒角结晶器温度场和应力场有限元模拟 [J], 王卫华;王文军;刘洋;陈霞;2.7075铝合金搅拌摩擦焊接头温度场及残余应力场的有限元模拟 [J], 郭柱;朱浩;崔少朋;王彦红3.激光弯曲成形温度场与应力场的有限元模拟 [J], 王野平;朱成明4.圆柱体锻压件镦粗过程中温度场应力场的有限元模拟分析 [J], 赵彦莉5.选区激光熔化Al−Mg−Sc−Zr合金温度场和应力场有限元模拟 [J], 马如龙;彭超群;蔡志勇;王日初;周朝辉;李晓庚;曹玄扬因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。