来源:Frontiers of Mechanical Engineering 发布时间:2022/4/20 16:42:00
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FME | 前沿综述:低温微量润滑加工——从机理到应用

论文标题:Cryogenic minimum quantity lubrication machining:from mechanism toapplication(低温微量润滑加工——从机理到应用)

期刊: Frontiers of Mechanical Engineering

作者:Mingzheng LIU(刘明政), Changhe LI(李长河), Yanbin ZHANG(张彦彬), Qinglong AN(安庆龙), Min YANG(杨敏), Teng GAO(高腾), Cong MAO(毛聪), Bo LIU(刘波), Huajun CAO(曹华军), Xuefeng XU(许雪峰), Zafar SAID, Sujan DEBNATH, Muhammad JAMIL, Hafz Muhammad ALI, Shubham SHARMA

发表时间:28 Jan 2022

DOI:10.1007/s11465-021-0654-2

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低温微量润滑加工:从机理到应用

Cryogenic minimum quantity lubrication machining:from mechanism toapplication

作者列表

Mingzheng LIU(刘明政), Changhe LI(李长河), Yanbin ZHANG(张彦彬), Qinglong AN(安庆龙), Min YANG(杨敏), Teng GAO(高腾), Cong MAO(毛聪), Bo LIU(刘波), Huajun CAO(曹华军), Xuefeng XU(许雪峰), Zafar SAID, Sujan DEBNATH, Muhammad JAMIL, Hafz Muhammad ALI, Shubham SHARMA

关键词

切削与磨削,低温微量润滑,低温介质,加工方式,装置应用,作用机理,应用效果

cutting and grinding, cryogenic minimum quantity lubrication(CMQL), cryogenic medium, processing mode, device application, mechanism, application effect

原文链接

https://journal.hep.com.cn/fme/EN/10.1007/s11465-021-0654-2

文章简介

切削液在航空航天金属材料切削加工中的应用满足了冷却/润滑要求,但由于使用量大而严重污染环境和威胁工人健康,不仅增加生产成本,而且不符合清洁生产的ISO标准/法律。该行业已经尝试使用干加工、微量润滑(MQL)、纳米流体微量润滑(NMQL)等绿色加工技术来取代切削液,但由于技术自身的局限性,对难加工材料切削高力-热损伤的抑制作用十分有限。低温和微量润滑的有机耦合,有效实现两种技术优势的互补和协同叠加,已经成为针对难加工材料切削最有前途的方法,不仅达到绿色冷却/润滑标准,还显著改善刀具磨损和表面质量。CMQL组合类型及其应用加工形式多样化,然而,以往的研究多集中在单一的冷却/润滑介质、加工方式以及工件材料,更是缺乏对CMQL作用机理的揭示。

因此,本文综述了CMQL加工的最新进展,阐明CMQL研究成果中的关键科学问题。首先,按照从传统设置到创新设计的顺序,系统性总结了LN2+MQL、LCO2+MQL、CA+MQL三种冷却/润滑方式的装置在车削、铣削、磨削中的应用形式以及工艺特点,归纳了CMQL装置的适用性。其次,深入揭示了CMQL的润滑和冷却机理,以及切削过程中CMQL对材料硬度、切削力、刀具磨损及工件表面质量的影响机制。基于CMQL的装置应用形式和作用机理,深入分析了CMQL对车削、铣削、磨削三种加工方式切削性能的影响效果。最后,针对CMQL的局限性,在切削参数与介质类型匹配、低温润滑油研制、多能场辅助输运技术及智能化供给装置等方面提出了展望,为推动CMQL技术的工程化应用和发展提供依据与支持。

内容概述

针对航空航天难加工材料,微量润滑热耗散能力不足限制了其工业应用,低温增强微量润滑是解决其技术瓶颈的有效手段。然而低温和微量润滑集成的供给系统,刀具/工件界面微液滴浸润特性与材料去除机理以及切削/磨削加工方式切削力、切削热、刀具磨损及工件表面质量作用规律等发生新的变化。

本文系统综述了低温微量润滑加工研究的最新进展,体现了以下几个亮点:

(1) 低温微量润滑供给系统方面:

(a) 外喷式供给。对于液氮、液态二氧化碳及低温冷风三种介质,常规供给方式为低温介质与微量润滑油分别通过各自管路及喷嘴喷至切削区。系统结构简单、操作简便,无需改造机床结构,但存在介质有效覆盖面积低的难题。针对上述难题,经过机理分析与结构创新改进,设计了“多喷头-指向式”射流喷射结构、刀架“多管道内嵌套”介质输送装置、“即插即用”收敛式喷嘴适配器及“阶梯式”低温-润滑介质供给系统。外喷式低温微量润滑供给系统更适用于车削和磨削,适用低温介质为液氮和低温冷风。

(b) 内喷式供给。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有效微量润滑供给形式。通过刀具、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,提高了介质有效流量率,实现定点/定量冷却。外喷式低温微量润滑供给系统适用低温介质为液态二氧化碳。目前,为提高低温-润滑介质进入切削区的有效流量率,研发的新型“低温/润滑介质混合单通道式”供给主轴和“低温/润滑介质双通道嵌套式”供给主轴已经逐步代替传统“低温介质内喷-润滑介质外喷”的方式,刀具寿命提升了57%。

(2) 低温微量润滑作用机理方面:

(a) 润滑/冷却机理。在低温状态下的润滑油黏度大,可促使摩擦界面油膜厚度增加,提高承载能力;同时,低温介质热耗散强度增加,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。为保持润滑性能,低温介质和润滑介质的供给顺序至关重要:在浅冷条件下(低温冷风),可同时喷射两种介质;在深冷条件下(液氮或液态二氧化碳),可先喷射润滑油,使其形成油膜,再喷射低温介质。低温微量润滑通过“叠加降温”机制实现冷却。润滑油在低温介质的增强作用下,可提高油膜存活程度,减少摩擦热;同时,低温使油膜处于核态沸腾状态,大幅提升传热系数。低温可扩大换热面积和温差,增强降温速度;同时,低温可影响材料本构关系,有效降低材料断裂应变能。

(b) 切削力影响机制。低温增强微量润滑可明显减小切削力,这是因为极性油雾颗粒吸附在刀具与工件界面形成一层稳固/稳厚的物理膜,起到润滑和承载作用。低温环境下,材料硬化和减小摩擦的“竞争机制”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,并且取决于低温介质的供给方式。

(c) 刀具磨损影响机制。低温强化微量润滑使刀具处于低温状态,表面涂层可以保持高硬度进而提高抗磨能力,延长涂层使用时间;低温可抑制刀具与工件在接触界面的黏附作用,有效防止积屑瘤或积屑层堆积;同时,低温有助于抑制难加工合金中特殊元素的化学反应活性,极大减缓磨损扩散速度。

(d) 工件表面质量影响机制。低温强化微量润滑的“叠加冷却机制”以及增强油膜抗磨减摩/承载能力,可显著降低切削区热-力耦合负影响:切削热降低可防止金属表面过度热塑形,切削力减小可防止表面产生微裂纹。低温微量润滑技术可有效降低热-力耦合对工件表面的损伤。

(3) 低温微量润滑应用效果方面:

难加工金属切削面临着高热-力损伤的严峻挑战。低温增强微量润滑应用在车削、铣削、磨削中,对降低切削温度、减小切削力和提高工件表面质量效果显著。不同切削参数下,低温或者润滑介质单独应用可能对切削性能产生或增益或减益的效果。但是在同一参数水平下,基于“协同耦合效应”,低温微量润滑的应用效果显著优于低温技术或者润滑技术单独应用的效果,对抑制刀具失效、表面烧伤起到了积极的作用,大幅度提高工件表面质量。基于文献研究,在三种切削方式及对应参数下,低温微量润滑相较于微量润滑或低温降低切削热、切削力、Ra值的幅值最大可分别达到56.2%、47.4%、41%。

文章作者简介

李长河

青岛理工大学

博士、二级教授、博士生导师

爱思唯尔高被引学者

主要从事磨削与精密加工、智能制造等方面的研究工作。

山东省泰山学者特聘专家、山东优秀发明家、山东省优秀科技工作者,山东省教学名师、山东省优秀研究生指导教师、宝钢优秀教师、全国挑战杯优秀指导教师、青岛市劳动模范。(1) 承担项目:连续承担国家自然科学基金面上项目4项、国家重点研发计划课题2项,国家机床重大专项课题1项,山东省重大科技创新工程项目1项、山东省重点研发计划4项、山东省自然科学基金4项、青岛市及西海岸新区项目5项。其中2项国家自然科学基金面上项目(51175276;51575290)被遴选为机械工程领域国家自然科学基金优秀结题项目。(2) 发表论著及知识产权:发表“三高”论文197篇,其中SCI/JCR(1-2)区68篇,并有21篇ESI高被引论文,9篇热点论文,总被引7900余次,h-index49(Scopus数据);在国内外同领域具有较高学术地位和知名度。出版专著5部,主编教材9部。以“纳米流体微量润滑”为主题词在谷歌学术检索,总篇数中50%来自本项目团队。在微量润滑领域13篇高被引论文中7篇来自本研究团队。获得美国、韩国、澳大利亚等发明专利授权60项,PCT 国际专利53项,国家发明专利授权109项,软件著作权23项。发明专利授权数量在微量润滑装置领域排名国际第一,利用关键词“纳米流体以及静电雾化”等在中国专利库共检索59项专利,52项来自本团队,占比88%;在美国和日本等国外专利库检索到的14项国外发明专利(授权7项专利与申请的7项PCT)均为本团队发表,占比100%。(3) 科研教学奖励:获得中国专利优秀奖2项、山东省技术发明1等奖、山东省自然科学奖2等奖,山东省技术发明2等奖、教育部高等学校科学研究优秀成果2等奖,山东省专利1等奖2项;此外,还获得中国商业联合会科学技术1等奖2项、中国产学研合作创新成果1等奖、中国循环经济协会科技奖1等奖,中国机械工业科学技术2等奖,中国石油和化学工业联合会技术发明2等奖,山东高等学校优秀科研成果1等奖4 项,青岛市技术发明2等奖等科研教学成果奖励近20项。在教学成果方面,获得了山东省省级教学成果1等奖4项。

李长河教授及其课题组成员合影

摘要

Cutting fluid plays a cooling–lubrication role in the cutting of metal materials. However, the substantial usage of cutting fluid in traditional flood machining seriously pollutes the environment and threatens the health of workers. Environmental machining technologies, such as dry cutting, minimum quantity lubrication (MQL), and cryogenic cooling technology, have been used as substitute for flood machining. However, the insufficient cooling capacity of MQL with normal-temperature compressed gas and the lack of lubricating performance of cryogenic cooling technology limit their industrial application. The technical bottleneck of mechanical–thermal damage of difficult-to-cut materials in aerospace and other fields can be solved by combining cryogenic medium and MQL. The latest progress of cryogenic minimum quantity lubrication (CMQL) technology is reviewed in this paper, and the key scientific issues in the research achievements of CMQL are clarified. First, the application forms and process characteristics of CMQL devices in turning, milling, and grinding are systematically summarized from traditional settings to innovative design. Second, the cooling–lubrication mechanism of CMQL and its influence mechanism on material hardness, cutting force, tool wear, and workpiece surface quality in cutting are extensively revealed. The effects of CMQL are systematically analyzed based on its mechanism and application form. Results show that the application effect of CMQL is better than that of cryogenic technology or MQL alone. Finally, the prospect, which provides basis and support for engineering application and development of CMQL technology, is introduced considering the limitations of CMQL.

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