植物油基MQL切削液的润滑机理与应用基础研究

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最小量润滑(Minimum Quantity Lubrication,MQL)技术是近年来新发展起来的一种以降低环境危害为目标,通过将压缩空气与微量切削液混合雾化后喷射到加工区域,极大地减少切削液用量并能够得到与传统浇注式切削相同甚至更优的加工效果的一种金属绿色加工工艺技术。作为一种典型的绿色加工技术,MQL加工中一般不使用矿物油基切削液,而是较多使用绿色切削液,其中植物油是典型的代表。   植物油在金属加工中具有优于矿物油的润滑性能,迄今为止对植物油润滑性能的研究大都属于实验研究,缺少理论分析,导致其润滑机理尚未形成系统的理论。天然植物油的组成复杂,种类多样,不同种植物油的物理化学性质和润滑性能有很大的差别,研究植物油的组成对润滑性能的影响,有助于选择和开发合适的植物油作为绿色切削液使用。植物油在MQL加工中的应用还处于初级阶段,有关植物油在不同的加工方式、不同的加工参数条件下的加工性能及其机理仍是一个有待研究的问题。   本文围绕植物油在MQL加工中的润滑机理及应用开展研究。首先,对金属切削加工中摩擦与润滑问题进行分析,影响切削液在加工中的润滑作用的主要因素是油品的吸附热,油品的分子组成与结构是关键因素。以分子模拟为手段,在分子尺度上研究植物油中典型分子的吸附特性与摩擦性能,计算分子与金属表面的吸附结合能及各种分子的摩擦系数,并将结果与矿物油中的典型分子进行了比较;其次,以攻丝加工为评价方法,进行了实验研究,模拟与攻丝实验发现切削液中的极性分子对切削加工中的润滑具有重要作用,脂肪酸是影响植物油润滑性能的关键因素,脂肪酸分子结构的不同影响植物油的润滑性能;第三,将玉米油、蓖麻油和植物油2000应用在MQL车削加工中,工件材料为18Cr2Ni4WA。结果显示植物油在较高速度下有效降低了切削力与表面粗糙度,植物油2000具有最好的加工性能,蓖麻油次之,玉米油最差,结果与模拟的预测相符。实验研究了三种油品在不同加工参数下的性能,发现在发生共振的情况下切削液能够改变相同加工参数下的共振频率的现象,经分析认为,这与切削液的润滑作用机理有密切关联。
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