不同冷卻噴霧場下硬質涂層刀具切削蠕墨鑄鐵性能研究*

林海生, 王成勇, 羅 杰, 賴志偉, 楊簡彰, 鄭李娟

(1. 廣東工業大學 機電工程學院，廣州 510006)(2. 廣西大學 機械工程學院，南寧 530004)

蠕墨鑄鐵(CGI)以其高硬度、高抗壓強度及高耐磨性等特性，被廣泛應用于汽車、船舶等領域[1-3]。但由于蠕墨鑄鐵導熱率低、硬度高及含有鈦元素等原因，導致加工刀具易發生黏結磨損、磨粒磨損等問題，從而加劇刀具失效[4-7]。目前，在蠕墨鑄鐵的加工中仍大量使用傳統切削液進行冷卻潤滑，但該冷卻方式存在成本高、污染環境及危害健康等嚴重問題[8-9]。因此，采用干式或者準干式切削加工替代傳統冷卻液加工，不僅符合國家“十三五”規劃中的“綠色制造”理念，也是金屬加工領域的必然趨勢。

油膜附水滴復合噴霧(Oils on water, OoW)技術[10-11]，作為一種新型的微量潤滑綠色準干式切削方式，在蠕墨鑄鐵[6]和鈦合金[7]等難加工材料的切削加工中具有優異的表現。OoW技術利用壓縮空氣將微量油和少量水混合，形成油包水的復合噴霧，將其噴射到切削區域來實現有效的冷卻和潤滑。其中，油起到潤滑作用，而水和壓縮空氣在降低切削溫度的同時，可抑制潤滑油因為溫度過高而較快失效的過程。與傳統的微量潤滑技術相比，OoW技術具有更好的冷卻作用。且該技術設備相比于低溫冷風[12]、液氮[13-14]、二氧化碳[15-16]等其他綠色冷卻方式具有噪音低、操作方便、成本低等優點。

現有研究表明，在硬質涂層刀具加工難加工材料時，外冷OoW的噴射位置對切削效果有較大影響。WANG等[17]發現：在切削蠕墨鑄鐵時，同時噴射前后刀面能夠有效提高刀具的抗磨損性能，而只噴射前刀面時，被加工材料的表面粗糙度明顯低于同時噴射前后刀面和只噴射后刀面時的粗糙度。LIN等[18]利用Al2O3涂層刀具在OoW冷卻方式下對鈦合金TC4進行加工，發現只噴射后刀面相對于前后刀面同時噴射和只噴射前刀面具有更好的斷屑效果；同時還發現噴射前刀面能夠更好地抑制硬質涂層刀具前刀面的黏結磨損，但前后刀面同時噴射時，被加工材料的表面粗糙度大于只噴射前刀面或者后刀面時的。郭以偉等[19]在45鋼加工時發現：OoW相對于干切削、乳化液能夠顯著降低切削力，且對刀具的后刀面和側面進行噴射時效果最佳。

除了噴射位置，不同結構噴嘴的霧化效果對冷卻潤滑作用也具有較大影響。劉永姜[20]通過建立噴嘴結構參數和噴嘴流量特性間的關系，實現了對噴嘴流量的控制。然而，目前在OoW技術中的噴射類型及噴嘴位置對切削性能的影響方面鮮有研究。

本研究中，在硬質涂層刀具切削加工蠕墨鑄鐵RuT400時，使用外冷油膜附水滴復合噴霧技術進行冷卻潤滑，分析了3種不同結構噴嘴的霧化機理，比較了3種噴嘴在3種不同噴射方式下對切屑流向的影響。在此基礎上，進一步研究了不同硬質涂層刀具和不同噴射位置對切削力的影響。

1 試驗方法

1.1 機床、冷卻設備和工件參數

選用沈陽機床公司的CAK3665nj數控車床進行切削實驗，該機床最大回轉直徑360 mm，滑板上最大回轉直徑180 mm，主電機功率5.5 kW，主軸轉速200～2 400 r/min。油膜附水滴復合噴霧設備和低溫冷風設備由東莞市安默琳節能環保技術有限公司提供。試驗采用3種不同結構的噴嘴，如圖1所示。噴嘴I是常用的普通圓柱型噴嘴，其內徑為4 mm，油水混合方式為外混，即在噴射出噴嘴之后進行混合。噴嘴II為尖嘴型噴嘴，噴嘴III為扁平型噴嘴。二者的內徑均為1 mm，油水混合方式均為內混。

(a)噴嘴I:普通圓柱型I:Ordinarycylinder(b)噴嘴II:尖嘴型II:Sharpmouth(c)噴嘴III:扁平型III:Flat圖1 3種不同結構的噴嘴Fig.1Nozzleswith3differentstructures

選用廣西玉柴集團提供的蠕墨鑄鐵作為加工工件，牌號為RuT400，直徑50 mm，長度240 mm。蠕墨鑄鐵的化學成分如表1所示，熱性能如表2所示。其硬度為330～370 HV。

表1 蠕墨鑄鐵(RuT400)的化學成分Tab. 1 Chemical composition of vermicular GCI RuT400

表2 蠕墨鑄鐵(RuT400)的熱性能Tab. 2 Thermal performance of vermicular GCI RuT400

1.2 刀具參數

選用5種不同的涂層刀具進行蠕墨鑄鐵的切削加工，刀具牌號分別為TH1000、TS2000、TP1030、TK2001和Tiger。如表3，TS2000、TH1000和TP1030的涂層采用物理氣相沉積法制備，分別為TiN/TiAlN、TiAlSiN和TiAlSiN；TK2001和Tiger的涂層采用化學氣相沉積法制備，分別為Al2O3/TiC和Al2O3/Ti(C,N)。所選5種刀具ISO型號均為CNMG120404。選用瓦爾特DCLNR2020X12-P車刀桿。刀片安裝在刀桿上后的前角和后角分別為25°和0°，刃傾角為-6°。

表3 刀具涂層成分及結構Tab. 3 Composition of tool coatings and their structure

1.3 切削參數、冷卻方式及測量方案

采用的切削速度為70 m/min，切削深度為0.9 mm，進給速度為0.15 mm/r。采用的冷卻方式包括干切削、外冷油膜附水滴復合噴霧(EOoW)和低溫冷風3種。其中，低溫冷風出口溫度為-30°C，噴嘴距離刀尖10 mm。EOoW的油量和水量分別為20 mL/h和150 mL/h，氣壓為0.6 MPa。在外冷復合噴霧冷卻中，采用不同的噴射位置對刀具進行冷卻和潤滑，如圖2，包括噴射前刀面(EOoWr)，噴射后刀面(EOoWf)和同時噴射前后刀面(EOoWrf)3種噴射方式。噴嘴距離刀具的距離為15 mm。

(a)噴射前刀面Rakeface(b)噴射后刀面Flankface(c)噴射前后刀面Bothrake&flankfaces圖2 復合噴霧噴射位置示意圖Fig.2Sketchofinjectionpositionofcompoundspray

實驗過程中，用Fastec公司的高速攝影儀Fastec(HiSpec5)觀察和記錄3種不同噴嘴的霧化機理及切削過程的切屑流向，用Kistler公司的壓電式精密車削測力系統9129AA測量切削力，用OLYMPUS光學顯微鏡SZ61測量后刀面的磨損。

2 試驗結果與分析

2.1 不同噴嘴的霧化機理及噴霧場研究

圖3為噴嘴I的霧化過程。其中油和水分別在壓縮空氣的剪切作用下，在噴嘴內部沿著孔壁形成液膜，液膜與孔壁分離并在噴嘴處形成液柱，最后再逐漸分離細化成液滴。因為油和水在噴射出噴嘴到形成液滴的過程中進行復合，因此易造成油水復合不均勻現象。且由于噴嘴I的內孔直徑較大，油和水在噴嘴及噴霧場錐角的外圍會形成明顯的大顆粒液滴。大顆粒液滴噴射到刀具表面時與其發生撞擊而破碎，進而產生二次霧化，如圖4所示。然而，二次霧化過程中產生的噴霧由于撞擊導致能量損耗，從而降低了其進入刀具切削區域的滲透能力。

(a)第一階段Stage1(b)第二階段Stage2(c)第三階段Stage3圖3 噴嘴I霧化過程Fig.3AtomizationprocessofNozzleI

圖5為噴嘴II的霧化過程。油和水在噴嘴內部混合之后再由噴射口噴出，并由外圍的壓縮空氣輸送和剪切霧化。在油水復合冷卻液噴射出噴嘴的初始階段，噴霧便呈現出良好的霧化狀態(圖5a)，且在整個噴射過程中無多余或分散的液滴出現(圖5b)。該現象表明噴嘴II的霧化過程穩定、霧化均勻且液滴細化程度佳。另外，由于油和水在噴嘴內部即實現了混合，因此混合均勻性相對較好。

(a)第一階段Stage1(b)第二階段Stage2(c)第三階段Stage3圖4 噴嘴I二次霧化作用Fig.4SecondaryatomizationprocessofNozzleI

(a)第一階段Stage1(b)第二階段Stage2圖5 噴嘴II霧化過程Fig.5AtomizationprocessofNozzleII

噴嘴III的結構類似于噴嘴II，不同之處在于噴嘴III在前端有扁平狀斜面，且斜面上設計了2個導流槽。導流槽的作用在于讓復合液能沿著規定的路徑噴出，避免復合液霧化時過度分散。圖6為噴嘴III霧化過程。在噴霧噴出的初始階段，油水復合液呈現大液滴狀態并沿著噴嘴斜面以近似90°方向噴出(圖6a)。隨著外圍壓縮空氣對復合液剪切作用的加強，大液滴進一步破碎細化，噴霧場向噴嘴斜面靠近(圖6b)。更進一步地，噴霧液在噴嘴前端的斜面形成液膜，液膜在噴嘴最前端分裂破碎，最終形成油水復合噴霧場(圖6c)。噴霧場中間液滴霧化程度好，但噴霧場外圍霧化效果差，存在較大顆粒的液滴。從圖6c還可知：噴嘴III的噴霧效果呈豎直集中、水平寬化的分布。

(a)第一階段Stage1(b)第二階段Stage2(c)第三階段Stage3圖6 噴嘴III霧化過程Fig.6AtomizationprocessofNozzleIII

綜上，噴嘴II的霧化效果最佳且射流集中，噴嘴I存在大量大液滴且噴霧場分散，噴嘴III的霧化效果居于噴嘴I和噴嘴II之間。

2.2 噴嘴結構及噴射位置對切屑流向的影響

圖7為干切削蠕墨鑄鐵時切屑的流向。從圖7可以看出：在刀具前刀面位置明顯堆積了大量的切屑。切屑的堆積造成切削區域散熱不良和溫度過高，從而導致刀具過快磨損及加工表面質量差。且由于切屑在前刀面的任意堆積，刀具前刀面結構對新產生的切屑失去導向性，切屑易四處飛濺，會進一步影響切削加工過程中切屑流向的穩定性。

圖8為噴嘴I在EOoWr、EOoWf和EOoWrf條件下切削蠕墨鑄鐵時的切屑流向。由圖8a可以看出：在EOoWr方式下，由于復合噴霧直接噴射于刀具的前刀面，射流直接對切屑底面進行沖刷，使得切屑更容易斷裂。同時，在EOoWr方式下產生了碎小的切屑，且切屑主要沿著前刀面噴嘴噴射的方向流動。在EOoWf方式下(圖8b)，切屑沿著射流方向豎直流動。由于復合噴霧噴射于刀具后刀面，對切屑沒有明顯的剪切作用，因此切屑尺寸更大。在EOoWrf方式下(圖8c)，2個方向的噴嘴的射流在刀尖處形成交叉噴霧場，使得對前刀面切屑的剪切程度弱于EOoWr，切屑尺寸較大。但在EOoWrf方式下，切屑流在豎直方向流動，并未完全沿著前后刀面2股射流交叉后的方向進行流動，這可能是受到噴嘴I對噴霧約束性差及其存在二次霧化作用的影響所致。

(a)EOoWr(b)EOoWf(c)EOoWrf圖8 噴嘴I切削過程的切屑流向Fig.8ChipflowwhencuttingwithnozzleI

圖9為噴嘴II在3種不同EOoW噴射方式下的切屑流向。在EOoWr方式下，由于射流集中噴射在前刀面，對切屑進行沖刷和剪切，促進切屑發生斷裂，在高速攝影下觀察到了較多碎小的切屑(圖9a)。在EOoWf方式下，切屑沿著后刀面噴嘴噴出的射流方向往上流出，且并未發現碎小切屑(圖9b)。

(a)EOoWr(b)EOoWf(c)EOoWrf圖9 噴嘴II切削過程的切屑流向Fig.9ChipflowwhencuttingwithnozzleII

在EOoWrf方式下，前后刀面2股射流在刀尖處匯聚后最終形成一股斜向上的噴霧射流。由于尖嘴型噴嘴II對噴霧的約束性好，從2個方向匯聚形成的射流對切屑具有較好的導向效果，切屑主要沿著該股射流的方向流出。

圖10為扁平型噴嘴III在EOoWr，EOoWf和EOoWrf3種噴射方式下的切屑流向。如圖10a，在EOoWr方式下，切屑沿著前刀面射流的方向流出，但并未發現碎小狀的切屑，說明該噴嘴在該種噴射方式下對前刀面切屑的剪切效果不如噴嘴I和噴嘴II。這可能是扁平狀的噴霧射流(如圖6)對切屑的沖刷效果不佳造成的。而在EOoWf方式下，切屑沿著后刀面射流方向噴出，未發現碎小切屑。該現象與用噴嘴I和噴嘴II時的相似(圖10b)。在EOoWrf方式下，使用噴嘴III也在前后刀面2股射流匯聚后形成了一股斜向上的射流，該股射流具有較好的切屑導向性，切屑沿著射流方向流出(圖10c)。

(a)EOoWr(b)EOoWf(c)EOoWrf圖10 噴嘴III切削過程的切屑流向Fig.10ChipflowwhencuttingwithnozzleIII

由此可見，相對于干切削，3種不同結構的噴嘴在不同噴射方式下均能極大地改善切屑的流動方向，從而有助于減緩刀具磨損和提高加工質量。對比3種不同結構的噴嘴，普通型噴嘴I對切屑的導向性差，扁平型噴嘴III對切屑的剪切效果不佳，而尖嘴型噴嘴II導向性和剪切效果均較好。同時，考慮到尖嘴型噴嘴II具有更好的霧化效果，有利于在切削過程中噴霧，強化在前后刀面的潤滑作用，在后續的蠕墨鑄鐵的切削加工中采用了該款噴嘴。

2.3 蠕墨鑄鐵加工的切削力研究

在切削加工蠕墨鑄鐵過程中，使用尖嘴型噴嘴II和外冷復合噴霧(EOoW)方式進行冷卻潤滑，測量了3種不同噴射位置(即EOoWr，EOoWf和EOoWrf)下的切削力，并與干切削和冷風加工的切削力進行對比，如圖11。相對干切削和冷風加工，3種噴射位置的EOoW均能大幅度降低切削力(圖11a)。這是由于在EOoW方式下切削加工蠕墨鑄鐵有較好的冷卻潤滑作用。當噴嘴只噴射前刀面(EOoWr)時，噴霧直接對前刀面和切屑的界面進行冷卻潤滑，通過毛細管滲透作用對后刀面進行潤滑。當噴嘴只噴射后刀面(EOoWf)時，噴霧直接對后刀面和已加工表面的界面進行潤滑，通過毛細管滲透作用對前刀面進行冷卻。當同時噴射前后刀面(EOoWrf)時，噴霧直接對前后刀面進行冷卻和潤滑。

對比3種不同冷卻方式的切削力，噴射Tiger刀具前刀面的EOoWr、噴射后刀面EOoWf和同時噴射前后刀面EOoWrf的切削力分別為426 N，447 N和442 N。在EOoWr方式下的切削力明顯低于在其他2種方式下的切削力。這是因為在EOoWr方式下，使用噴嘴II能夠更好地對切屑進行剪切，從而更容易斷屑，形成碎小切屑。值得一提的是，盡管EOoWrf方式下能夠同時對前后刀面進行直接冷卻和潤滑，但該噴射方式下的切削力與EOoWf方式下的切削力相當，且大于EOoWr方式下的切削力。這是由于在EOoWrf方式下，前后刀面2股射流相互影響，對切屑的剪切作用相對較弱。

進一步對比了5種不同涂層刀具在3種不同噴射位置下的切削力(圖11b～圖11d)。對于TH1000、Tiger、TP1030和TS2000這4種涂層刀具，在EOoWr方式下切削蠕墨鑄鐵的切削力比其他2種方式下的切削力更低。TS2000刀具在EOoWrf方式下可以獲得比EOoWf更低的切削力，但TH1000刀具則相反。因此，從切削力的角度來看，在蠕墨鑄鐵的切削加工過程中，涂層刀具和外冷復合噴霧的噴射位置需要相互匹配，才能得到最佳效果。

3 結論

(1)在霧化效果方面，普通圓柱型噴嘴(噴嘴I)霧化效果較差，存在射流不集中、油水混合不均勻和大液滴等問題；扁平型噴嘴(噴嘴III)霧化效果有所提高，噴霧場較為寬化，噴霧場外圍霧化效果相對較差；尖嘴型噴嘴(噴嘴II)的液滴細化程度高，能實現連續穩定噴霧，霧化效果最好。

(2)在切屑流向方面，外冷油膜附水滴復合噴霧技術EOoW能夠極大改善刀具前刀面的切屑滯留現象。在蠕墨鑄鐵RuT400的車削過程中，使用噴嘴I和噴嘴II在噴射前刀面EOoWr的方式下，有利于切屑的斷裂，形成碎小切屑。而噴嘴II和噴嘴III在同時噴射前后刀面EOoWrf方式下，由于對噴霧的約束性好，對切屑流的導向性更佳。

(3)在硬質涂層刀具加工蠕墨鑄鐵過程中，使用外冷油膜附水滴復合噴霧技術EOoW能夠有效降低切削力。噴射前刀面EOoWr(噴嘴II)的斷屑效果好，有利于降低切削力；而同時噴射前后刀面EOoWrf雖然能對前后刀面同時進行潤滑和冷卻，但由于對切屑的剪切效果弱，導致該種噴射方式的切削力大于EOoWr噴射方式的。涂層刀具和外冷復合噴霧的噴射位置需要相互匹配，才能更好地降低切削力。