0引言

随着高速切削加工技术的迅速发展，机械加工领域对切削液的使用量越来越大，大量切削液的使用对环境造成了严重污染^[1]。目前我国对金属切削液的使用仍以乳化液为主^[2]。而传统金属切削液中含有硫、磷等有害物质，排放后对坏境和人体会造成严重危害^[3]。

微量油膜附水滴(OoW)切削技术作为一项新兴的绿色加工技术，因其采用的油剂为可自然降解植物油，因此可真正实现无毒无污染^[4]。与传统金属切削液相比OoW切削液有其独特的优势。微量油剂和微量水在冷风作用下接触，因油分子具有亲水性，故会吸附于水分子的表面，从而在水滴的表面形成一层薄油膜，这种油包水的形态即为油膜附水滴^[5]。在高压作用下，油膜附水滴可到达刀具与工具接触面以及刀具与切屑接触面，在其面上形成一层油膜，起到良好的冷却润滑作用^[6]。OoW切削液供给装置示意图如图1所示。

奥氏体不锈钢因其具有较高的屈服强度、抗拉强度、延伸率和冲击值，并且有较高的耐高温和耐腐蚀性等特点，被广泛应用于机械、电子仪表、石油化工等工业领域^[7]。不锈钢作为一种难加工材料，其在加工过程中切削力大，切削温度高。针对不锈钢的切削特点，在其加工中使用的切削液必须具有较优的冷却润滑性能和较高的渗透性^[8]。

图1 OoW切削液供给装置示意图

Fig.1 OoW fluid supply device

微量油膜附水滴切削技术以其良好的冷却润滑性能和高渗透性，可满足不锈钢的切削加工要求。而在切削过程中，刀具一方面切下切屑，一方面也被磨损。从而影响加工质量，生产率和加工成本。因此研究OoW切削技术在加工不锈钢时的刀具寿命，对其在不锈钢切削加工中的实际应用有重要的指导意义。

1试验设计

1.1试验条件

试验在TK36数控车床上进行，采用YNG151C硬质合金可转位机夹刀片对奥氏体不锈钢(0Cr18Ni9)进行外圆车削，刀具几何角度如表1所示。测量设备为KEYENCE VHX-600超景深三维显微系统。

表1 刀具几何参数

Tab.1 Tool geometric parameters

OoW切削液供给装置采用特殊多段式喷嘴从后刀面对加工区域进行喷射。油水比为1:30，输出压力分别为0.8MPa、0.5MPa。

切削试验时，每切到一定程度测量一次刀具磨损，以刀具后刀面磨损值VB≥0.3mm或刀尖崩裂损坏时的螺旋切削长度SCL为刀具寿命。每次试验结束后按式(1)即可计算出刀具寿命SCL。

         (1)

式中：SCL为刀具寿命，即螺旋切削长度，单位m；为第i次走刀时工件已切削加工表面直径，单位mm；为工件切削加工长度，单位mm；f为进给量，单位mm/r；n为走刀次数。

1.2试验方案

试验采用三因素三水平正交试验方案，在车床上对奥氏体不锈钢工件进行车削加工并进行数据采集。不锈钢切削加工刀具寿命SCL试验方案及数据采集情况如表2所示。

表2 正交试验方案

Tab.2 The scheme of orthogonal test

2数据处理

2.1建立多元线性回归模型

为便于分析切削三要素对刀具寿命的影响，建立刀具寿命SCL的多元回归模型如下：

            (2)

但此模型为非线性，为便于分析研究，应对上式进行线性化处理，式(2)两边同时取对数可得：

   (3)

令：，，，，，，，，则式(3)可写为：

       (4)

式(4)为y对各因素x₁，x₂，x₃的线性变化方程，可按线性模型处理。

利用SPSS统计学分析软件，对表2中数据进行多元线性回归处理，建立的刀具寿命SCL经验公式如下：

干切削：

         (5)

OoW切削：

         (6)

2.2显著性检验

拟合出刀具寿命经验公式后，为判定是否可用，应对其进行显著性检验。采用F检验法，假设H₀：式（4）不是线性关系，则统计量F应服从如下分布：

   (7)

式中：F为统计变量，为回归平方和，为残差平方和，n为试验数组，p为变量个数。

    对式(7)中F进行计算，并与的临界值进行比较。在给定的置信水平下，如果F值大于其临界值，则假设H₀不成立，式(4)存在线性关系，可认为所建立的刀具寿命预测模型拟合度良好。

干切削与OoW切削条件下的刀具寿命SCL多元线性回归方程方差分析结果如表3所示。

取显著水平，查F分布表可得，，显然上表中各切削条件下所对应刀具寿命SCL的F值均远大于其临界值，两种不同切削条件下所建的刀具寿命SCL回归方程线性关系高度显著，经验公式与各试验点拟合度较高。

表3 刀具寿命方差分析

Tab.3 Variance of tool life

3试验数据分析

3.1多因素交互作用对刀具寿命的影响

分析刀具寿命SCL经验公式（5）、（6）可得：在试验参数范围内，切削速度对刀具寿命的影响最大，。这是因为高速下，切削区域温度会急剧升高，而高温会加快涂层的磨损、剥落，甚至破损，加速了刀具的磨损。在分析切削要素交互作用时，重点考虑切削速度和被吃刀量两因素的作用。

为便于比较两种不同加工方式下刀具寿命的变化规律，利用式（5）、式（6）绘制出了刀具寿命的特征图。

图2为切削速度和背吃刀量对刀具寿命SCL的影响，此时进给量，a、b分别为干切削、OoW切削时的特征关系。

对比分析（a）、（b）两图数据可得，当背吃刀量取值较大时，OoW切削的刀具寿命比干切削时长，且在速度较低时，加工优势明显。

根据式（5）、式（6），分别计算、在不同取值时，两种加工方式下刀具寿命。在试验参数范围内，取最大值1mm时，计算结果表明：当取最小值140m/min时，OoW切削刀具寿命比干切削时延长65.3%；当取最大值220m/min时，刀具寿命延长69.0%。这是因为切削速度对切削温度影响最大，而且影响切削液渗透的时间。切削速度越高，切削液的润滑效果越低。因此选用较低切削速度时，OoW切削的刀具寿命长。而背吃刀量的增加使塑性变形增大，OoW切削液在高压作用下进入塑性变形区域中的金属微裂纹内部，能降低强化系数，减小切削力，从而提高刀具寿命。

图2 切削速度和背吃刀量对刀具寿命的影响

Fig.2 The influence of cutting speed and depth of cut on surface roughness

在切削加工中，切削区域会产生大量的热，高温对涂层刀具的影响比较大，切屑和工件在刀具前刀面、后刀面不断移动，破坏了刀具涂层。而刀具涂层一旦剥落，刀具磨损程度将急剧加快。使用OoW切削液进行加工时，油膜水滴进入切削区域，在高温作用下，水滴蒸发带走大量的切削热，从而起到良好的冷却效果。由于高压作用，OoW切削技术比传统金属切削液更易形成油膜，且可以吸附于刀具与工具接触面以及刀具与切屑接触面，起到更好的润滑效果，刀具磨损减小，刀具寿命提高。

3.2刀具寿命与切削效率分析

在机械加工中，我们要求在满足加工要求的前提下，材料去除率越高越好，提高加工效率，就应该增大切削参数。但从提高刀具使用寿命的角度考虑，应减小切削参数，两者间存在矛盾。可以通过分析刀具寿命经验公式(6)和切削效率公式(8)，研究刀具寿命和切削效率间的关系，以获取合理的切削参数，使其在保证切削效率的前提下，尽可能的延长刀具寿命。

          (8)

式中：E为切削效率，单位mm³/min，其它符号含义及单位同上。

图3为根据刀具寿命经验公式(6)和切削效率公式(8)绘制的刀具等寿命-效率曲线，此时。其中实线为等寿命曲线，虚线为等效率曲线。分析图中数据可得，在保证切削效率的前提下，适当减小切削速度并增大背吃刀量，可延长刀具寿命。使用OoW切削液加工0Cr18Ni9不锈钢时，建议使用的切削参数为：切削速度140~150m/min，背吃刀量0.4~0.6mm，进给量0.12~0.16mm/r。在建议切削参数下刀具寿命SCL约为3.2~8.2km。

图3 刀具等寿命-效率曲线

Fig.3 Constant life-effective curve

4结论

（1）在试验参数范围内加工奥氏体不锈钢，采用较大背吃刀量时，OoW切削技术较干切削刀具寿命长，有明显加工优势。

（2）使用OoW切削方式加工奥氏体不锈钢时，在保证切削效率不变的情况下，适当增大背吃刀量，降低切削速度，可提高刀具寿命。

（3）利用多元线性回归法建立的刀具寿命SCL经验公式经F显著性检验，所建公式线性关系高度显著。

参考文献

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第一作者：刘永姜，男，1970年生，博士，副教授，硕士研究生导师，主要研究方向：绿色制造装备与技术