作者：张毅
在传统的加工过程中，采用在工件及刀具上大量浇注切削液的方法起到冷却、润滑、清洗和防锈等作用。众所周知的是，切削液中常含有添加剂，大多是磷、硫、氯等有害成分，这些有害成分挥发到空气中，给操作人员的身体健康带来很大危害。此外，在机械加工过程中，只有很少量的切削液能够进入切削加工区，达到润滑和冷却的效果，从而造成了大量浪费。为了解决切削液危害性等问题，最好的方法就是能够不使用或使用少量切削液。研究人员在探索研究新型的冷却润滑方式的过程中，进行了多方面的探索，成功研究出多种绿色制造技术，如低温冷风切削、干切削、最少量润滑技术(Minimal Quantities of Lubricant，MQI。)、微量油膜附水滴技术( Oil-on-Water，OoW)和水蒸气冷却润滑等。
OoW切削液是由少量可自然降解的润滑油剂、冷空气和水在特制的雾化喷嘴枪内经过混合、雾化喷出，形成的价格低廉、无污染、可自然降解的新型绿色切削液。依据界面化学和油脂化学作用机理，可自然降解的油剂中所含有的油分子具有疏水基（阳离子）和亲水基（负离子），其中油分子（脂肪酸）会一个一个地吸附在水滴的表面上。此外由于油分子具有扩张性，成千上万的油分子吸附在水滴表面，从而形成油膜，即油膜附水滴(OoW)切削液。
油膜附水滴通过高压空气喷射到切削加工区，水滴表面附着的油膜破碎，离散的油滴附着在被加工工件和刀具接触部位起到润滑效果；水滴、破碎的油膜以及离散的油滴进入切削区后，由于切削区的高温作用，雾状润滑液会迅速汽化，产生剧烈翻动，带走切削过程产生的大量热，起到冷却刀具和工件的作用。
切削力和工件表面粗糙度是衡量切削加工质量好坏的重要物理量。切削力的捕捉、分析、计算以及预测对分析切削加工过程的特点、研究切削机理以及制定合理的切削加工用量有着非常重要的意义。工件表面粗糙度的分析研究对提高工件加工质量有着重要意义。虽然切削加工过程中能够对切削力和工件表面粗糙度产生影响的因素很多，但是在切削加工时所选用的刀具和机床一定的条件下，切削参数（切削速度、进给量、背吃刀量）则是对切削力和工件表面粗糙度影响最大的因素。分析对比乳化液与OoW润滑液对切削力和工件表面粗糙度的影响有着重要意义；此外，对生产实际加工中的切削参数优化也有着重要作用。
1试验研究
1.1 试验方法
为了研究两种润滑方式对切削力和工件表面粗糙度的影响，使用硬质合金刀具对45碳素结构钢，在乳化液和油膜附水滴条件下进行外圆切削试验。分别用瑞士奇士乐KISTLER-9272型四分力车削测力仪和JB-5C粗糙度轮廓测试仪测量切削力和表面粗糙度，观测切削力和表面粗糙度的变化，并对所得数据进行分析研究。
1.2试验条件
本次试验研究是在C620-1的普通机床上进行的车外圆加工。主要的切削加工条件为：传统乳化液润滑切削，冷却介质为5%的乳化液，流量为3.5 L／min;微量OoW润滑切削中，水、油及压缩空气的压力分别为0.6 MPa、0.4 MPa和2 MPa，油水流量比为1：30，油流量为10 mL／h，压缩空气流量为100 L/min。为了方便收集切削力数据和表面粗糙度数据，对切削力试验和表面粗糙度试验选用共同的切削用量：切削速度vf=100 m／min，切削深度a，-1 mm，进给量f分另4取0. 08、mm／r、0.12 mm／r、0.18 mm／r、0.26 mm/r和0. 35 mm/r。
刀具材料为硬质合金YNG151C;刀具参数如下：前角Yo =12。，后角a。=8。，刃倾角A，-0。，主偏角k，一75。。工件材料为45碳素结构钢；工件是直径西50mm、长度500 mm的圆柱体。
2试验结果与分析
2.1切削力试验结果分析
图1为切深a。-1 mm、切削速度v．一100 m／min时，乳化液润滑和油膜附水滴(OoW)润滑两种切削方式产生的进给力Ff、径向力Fp和主切削力Fc随进给量f的变化关系。
如图1所示，随着进给量f的增加，两种切削方式所产生的切削力也随之增加；乳化液润滑产生的切削力稍大，是因为在采用大量的乳化液对工件进行浇注时可以起到散热和润滑作用，但是由于刀具前刀面和切屑、刀具主后刀面和副后刀面与工件之间的挤压作
用，采用浇注方式的乳化液难以进入加工区，所以润滑效果不明显；采用油膜附水滴切削液润滑过程产生的切削力较小，这是因为油膜附水滴切削液是通过特殊喷嘴在高压作用下喷射进入刀具和工件、刀具和切屑的接触区，雾状的润滑液表面的油膜破裂并且粘附在切屑底层表面、刀具前刀面和切屑底层接触区、刀具主后刀面（刀具副后刀面）和被加工工件接触区，形成润滑层，能够降低刀具和切屑的接触长度，使刀具前刀面和切屑底层间的粘结降低，摩擦减小，切屑底层的塑性流动变快，变形减小，切削力降低。本文采用公式(1)计算切削力和粗糙度的相对减小百分比Z：
其中：X为不同进给量下采用乳化液切削加工过程产生的平均主切削力、平均进给力、平均径向力或粗糙度；Y为不同进给量下采用OoW切削液润滑产生的平均主切削力、平均进给力、平均径向力或粗糙度。经计算使用油膜水滴切削液切削力减小的百分比见表1。
2.2粗糙度试验结果分析
图2为采用两种不同的冷却润滑加工方式下工件表面粗糙度值与进给量的关系变化。由图2可以看出，采用OoW冷却时获得的表面粗糙度更低。利用公式(1)计算进给量0.08 mm／r、0.26 mm／r处OoW润滑时相对乳化液润滑时粗糙度的减小百分比，得出工件表面的粗糙度值减小20%～50%。原因是雾状的OoW切削液可以进入到刀具前刀面和切屑底层接
触区域、刀具和工件接触表面之间，雾状的润滑液在接触区表面形成润滑薄膜，有效地降低切屑底层和刀具前刀面的摩擦，以及刀具与被加工工件表面之间的摩擦，减轻了切削区材料的变形程度，减小了表面粗糙度值。
3结论
(1)利用OoW切削液加工时相比于乳化液能够取得较小的主切削力，主切削力F。减小5%左右。
(2)利用OoW切削液加工时相比于乳化液能够取得较小的径向力，径向力F。减小3%左右。
(3)利用OoW切削液加工时相比于乳化液能取得较小的进给力，进给力Ff减小3%左右。
(4)采用OoW切削液能够使被加工表面质量平
均提高20%～50%。
4摘要：简述了油膜附水滴( ()ils on Water，OoW)切削液的冷却润滑原理。为了研究油膜附水滴切削液和乳化液在切削45钢过程中的冷却和润滑性能，通过对浇注乳化液和OoW切削液两种冷却润滑方式下切削45钢的切削力、工件表面粗糙度的试验进行比较，分析两种切削液的冷却润滑性能。试验结果表明，使用OoW进行切削润滑，能够降低切削加工过程的切削力和工件表面粗糙度，与采用乳化液相比具有明显优势，为实际加工过程的切削参数选择及润滑液选择提供了重要参考。
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