噴霧-噴霧復(fù)合法制備綠色油膜滴的研究

噴霧-噴霧復(fù)合法制備綠色油膜滴的研究

0廢液回收利用需要大量循環(huán)使用為了達到潤滑、冷卻、清潔的效果，在機械上使用加工溶液（油加工溶液和水加工溶液）。隨著現(xiàn)代化加工業(yè)的高速發(fā)展,水溶性加工液(如乳化液、可溶液和溶解液)的大量循環(huán)使用,以及加工廢液的大量排放造成了嚴(yán)重的環(huán)境污染問題。加工液中不僅含有對人體有害的硫磺、磷、氯等元素的極壓添加劑,而且含有表面活性添加劑,當(dāng)加工過程中混入細(xì)小切屑時,導(dǎo)致加工液中添加物難以分離,成為難于再回收利用的廢液。要妥善處理這些切削廢液,需要很多的處理設(shè)備和大量的處理費用。同時,高速加工中大量循環(huán)使用油性加工液(如礦物油和極壓油),使發(fā)生火災(zāi)的危險加大。為了節(jié)約能源,降低成本,實現(xiàn)加工廢液的零排放,滿足制造業(yè)對環(huán)保性的需求,日本、德國、美國等發(fā)達國家正致力于實現(xiàn)這樣一種目標(biāo):徹底廢除水溶性加工液的使用及最小限度地使用油性加工液,由半干切削到最終實現(xiàn)干切削。1999年日本名古屋工業(yè)大學(xué)T.NAKAMURA和T.MATSUBA兩位教授首次提出了基于生態(tài)加工(Eco-machining)與零排放生產(chǎn)的油膜附水滴(OoW)的概念。使用冷空氣、微量可自然降解油劑(植物油和酯油)和少量水,經(jīng)復(fù)合噴霧法形成OoW加工液,來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的加工液。1油膜附執(zhí)法工具的研制根據(jù)油脂化學(xué)、界面化學(xué)反應(yīng)原理,可自然降解油劑的油分子具有親水基(負(fù)離子)和疏水基(陽離子),油分子(脂肪酸)會一個一個地并排吸附在水的界面上。由于油分子的擴張性,成千上萬個油分子吸附的結(jié)果是使水分子的界面上形成一層薄油膜,從而形成油膜附水滴(OoW)。圖1是OoW形成噴嘴示意圖,圖2是OoW加工液的供給法示意圖。微量植物油和微量水經(jīng)壓縮空氣和特殊噴嘴,霧狀化并形成表面吸附一層薄油膜(0.1μm左右)的微小水滴(100～200μm),即油膜附水滴(OoW),又經(jīng)壓縮空氣吹到加工面和工具表面上。由于油膜的擴張性和親水性,在工件加工表面和刀具表面上產(chǎn)生良好的潤滑和冷卻效果。2刀具磨損和加工表面質(zhì)量在不同的冷卻潤滑加工方法下,將試驗材料的外圓反復(fù)切削,根據(jù)切削距離和時間的變化對刀具磨損和已加工表面質(zhì)量進行觀測。在試驗過程中,采用4種加工方法進行比對試驗,1～4號分別為干切削、乳化液、大豆油油膜水滴、菜籽油油膜水滴,其中3、4號為綠色生態(tài)加工液。2.1霧系統(tǒng)及特殊多段式噴嘴1、霧狀油膜水滴加工液供給:機械加工復(fù)合噴霧系統(tǒng)(GJS)及特殊多段式噴嘴(自行設(shè)計制造)。2、機床:CA6140及附件。4、測量儀器:表面粗糙度檢測儀,游標(biāo)卡尺,顯微鏡。2.2試驗條件試驗條件如表1所列。3試驗結(jié)果與分析3.1影響刀具壽命的因素分析在1～45分鐘內(nèi)刀具后刀面磨損情況,如圖3刀具磨損曲線所示。從圖3中可以看出,切削所用時間以干切削、乳化液、菜籽油油膜水滴、大豆油油膜水滴的順序由少到多。在相同時間里,干切削和使用乳化液刀具磨損為最大,而使用菜籽油油膜水滴、大豆油油膜水滴的刀具磨損為最小。分析試驗結(jié)果,在切削加工中,影響刀具壽命最主要的因素是切削點產(chǎn)生的切削熱。切削運動所需的能量大多用于被切削材料的變形、切斷、產(chǎn)生切屑,以及刀具和加工表面產(chǎn)生的摩擦。而這其中的大部分將轉(zhuǎn)變成熱能,使被切削材料和刀具的溫度上升。刀具溫度上升會導(dǎo)致刀具切削刃的軟化,從而使刀具磨損加速。在切削試驗研究中,當(dāng)霧狀菜籽油、大豆油油膜水滴碰到刀具和工件時,油包水滴破裂,表面油膜潤滑前后刀面,減少刀具后刀面和加工表面的摩擦,同時水滴蒸發(fā),帶走大量切削熱,降低了切削點溫度,防止了刀具軟化,使刀具磨損減小,提高了刀具耐用度。3.2前刀面產(chǎn)生殘損的情況產(chǎn)生積屑瘤的原因很多,一般認(rèn)為是隨著切削溫度的上升,在切屑和工具金屬表面原子親和力作用下互相產(chǎn)生粘著,隨著切屑的金屬原子在工具前刀面殘留、堆積,形成積屑瘤。在刀具磨損試驗中,由于45#鋼固有的親和性,切削中切屑擠壓工具前刀面產(chǎn)生粘著,進而堆積成積屑瘤的現(xiàn)象進行了觀察。試驗結(jié)果表明,干切削和乳化液切削條件下使用過的刀具前刀面產(chǎn)生了積屑瘤,在使用大豆油油膜水滴和菜籽油油膜水滴切削條件下刀具前刀面沒有產(chǎn)生較大的積屑瘤。分析試驗結(jié)果,使用霧狀油膜水滴潤滑液,能使切削區(qū)得到充分冷卻,同時,油膜的潤滑效果不僅減小了工具后刀面和已加工表面之間的摩擦,也改善了切屑和工具前刀)面之間的潤滑條件。由此說明,霧狀油膜水滴潤滑液以油包水分子狀供給工具前、后刀面,抑制了積屑瘤的產(chǎn)生。3.3乳化液添加量對粗糙度的影響圖4為不同加工條件下,進給量f、背吃刀量ap不變,速度v變化時,工件表面粗糙度曲線。由圖4可知,使用霧狀油膜水滴作切削液,比在干切削,使用乳化液條件下被加工表面的粗糙度值都小。這是因為,霧狀油膜水滴作切削冷卻潤滑劑,有效地減小了切屑、刀具與被加工表面之間的摩擦,減輕了切削區(qū)材料的變形程度、切屑與前刀面的粘結(jié),抑制了積屑瘤及鱗刺的產(chǎn)生,減小了表面粗糙度Ra值。4使用乳化液、霧狀油膜執(zhí)法共壓縮劑切削液的優(yōu)勢使用綠色生態(tài)OoW冷卻潤滑切削液,替代傳統(tǒng)的含有硫磺、磷和氯等成分的冷卻潤滑液,不僅改善了作業(yè)環(huán)境,減輕了對操作人員健康的危害,而且降低了企業(yè)廢液處理的經(jīng)濟負(fù)擔(dān)。筆者在干切削,使用乳化液、霧狀油膜水滴(OoW)切削液條件下