《低溫冷風微量潤滑磨削加工工藝規(guī)范》編制說明

團體標準

《低溫冷風微量潤滑磨削加工工藝規(guī)范》

編制說明

標準編制小組

2024年2月

《低溫冷風微量潤滑磨削加工工藝規(guī)范》

編制說明

一、標準制定的必要性

航空工業(yè)加工制造水平是體現(xiàn)國家綜合實力的一項關鍵指標。結構輕量化、

高強度和高可靠性等要求已成為航空高端裝備發(fā)展的主流趨勢和終極目標。為滿

足使用要求，擁有強度高、韌性強、耐高溫等特性的新型金屬材料應運而生。磨

削加工作為精密成型的必要工藝，占總工藝的60%以上。磨削過程中伴隨著彈

塑性變形及劇烈摩擦，使磨削區(qū)長期處在高溫和高應力耦合效應的影響狀態(tài)下，

極易導致磨屑粘附、重鑄，甚至引起工件表面燒傷，嚴重影響加工表面質量和精

度。因此，磨削過程中有效抑制工件表面熱損傷是亟需解決的技術難題。

內(nèi)混式低溫冷風賦能的準干式冷卻潤滑技術是由低溫冷風(0°C~?60°C)與

微量潤滑結合而成，通過高壓低溫氣體將微量潤滑劑霧化成微米級顆粒，高速噴

射到磨削區(qū)域。冷風與磨削區(qū)的溫差實現(xiàn)強化換熱并且高速氣流可將熱量帶離磨

削區(qū)，霧化顆粒的小尺寸效應具有更強的滲透性與潤滑性。低溫冷風微量潤滑綠

色環(huán)保，不影響工人身體健康，滿足清潔生產(chǎn)。低溫冷風技術的最大優(yōu)勢在于能

實現(xiàn)介質溫度精準可控，以適應不同塑性金屬的磨削加工。合理的低溫域可使工

件維持有利于磨削的硬度，防止高溫使工件塑性過大而對刀具粘結，降低磨削性

能。冷風和潤滑劑耦合作用下，有效抑制磨削熱產(chǎn)生，減輕工件表面熱損傷。

目前，內(nèi)混式低溫冷風微量潤滑技術在磨削加工中尚處于效果驗證性的實驗

階段，存在著理論框架缺失和實際操作規(guī)范不足等問題。內(nèi)混式低溫冷風微量潤

滑磨削技術尚無國家、行業(yè)技術規(guī)范，為使低溫冷風微量潤滑磨削工業(yè)金屬材料

實現(xiàn)最優(yōu)效果，根據(jù)《中華人民共和國標準化法》的有關規(guī)定，特制訂本標準。

綜上所述，研發(fā)制定低溫冷風微量潤滑磨削標準對行業(yè)發(fā)展是十分必要的。

內(nèi)混式低溫冷風微量潤滑磨削技術具有廣闊的市場前景和良好的社會效益，用于

指導低溫冷風微量潤滑切磨削工件表面完整性的主動控制。

二、標準編制原則及依據(jù)

1.按照GB/T1.1-2020《標準化工作導則第1部分：標準化文件的結構

和起草規(guī)則》和GB/T12-2009《標準化工作導則第2部分：標準中規(guī)范性技

術要素內(nèi)容的確定方法》要求編寫。

2.參照相關法律、法規(guī)和規(guī)定，在編制過程中著重考慮了科學性、適用

性和可操作性。

三、項目背景及工作情況

（一）任務來源

根據(jù)《中國國際科技促進會標準化工作委員會團體標準管理辦法》的有

關規(guī)定，經(jīng)中國國際科技促進會標準化工作委員會及相關專家技術審核，批

準《低溫冷風微量潤滑磨削加工工藝規(guī)范》團體標準制定計劃，項目計劃號

為：CI2023526。本標準由青島理工大學提出，中國國際科技促進會歸口。

根據(jù)計劃要求，本標準完成時限為4個月。

（二）標準起草單位

本標準的主要起草單位是青島理工大學，負責標準文檔起草及相關文件

的編制等。青島即墨青理智能制造產(chǎn)業(yè)研究院、大連理工大學、上海交通大

學、南京航空航天大學、重慶大學、上海工程技術大學、漢能（青島）潤滑

科技有限公司、上海金兆節(jié)能科技有限公司、成都工具研究所有限公司、國

華（青島）智能裝備有限公司、青島濱海學院主要參與單位，負責標準中重

要技術點的研究和建議，并參與標準內(nèi)容的討論。

（三）標準研制過程及相關工作計劃

（一）前期準備工作

項目立項前，標準編制小組查閱、研讀相關國內(nèi)外文獻，廣泛搜集低溫

冷風微量潤滑磨削加工工藝有關材料。同時，標準編制小組安排相關人員，

多次前往機械加工企業(yè)進行現(xiàn)場調(diào)研，與現(xiàn)場操作人員及安全管理人員進行

了深入座談交流，廣泛征求標準制訂方面的意見和建議。

（二）標準起草過程

2023年12月7日由中國國際科技促進會標準化工作委員會向國家標準委

全國標準服務平臺立交立項，立項編號為：CI2023526,并向全社會公示了十

五日。

2023年12月27日由青島理工大學以視頻的方式組織了第一次起草會議，

談論了標準的制定要求，確定了分工和編制工作的各項任務完成時間節(jié)點。

2024年1月14日組織了第二次起草會議，確定下標準內(nèi)容的草案；

2024年2月24日將標準草案提交中國國際科技促進標準化工作委員會，

通過審核，于2月27日報送了全國標準平臺，并向全社會公開征求意見30日。

（三）征求意見情況

2024年2月上旬，標準編制小組先后通過電話、郵件等多種形式征集行

業(yè)專家相關意見和建議。針對征集的意見，標準編制小組召開了研討會，將

收集到的意見進行匯總處理分析，在充分吸納合理意見的基礎上，先后修改

和完成標準內(nèi)容。于2024年2月27日形成團體標準文件最終稿。

四、標準制定的基本原則

標準編制過程中，遵循了以下基本原則：

1)標準需要具有行業(yè)特點，指標及其對應的分析方法要積極參照采用國

家標準和行業(yè)標準。

2)標準能夠體現(xiàn)出產(chǎn)品的具有關鍵共性的技術要素。

3)標準能夠為產(chǎn)品的開發(fā)、改進指出明確的方向。

4)標準需要具有科學性、先進性和可操作性。

5)要能夠結合行業(yè)實際情況和產(chǎn)品特點。

6)與相關標準法規(guī)協(xié)調(diào)一致。

7）促進行業(yè)健康發(fā)展與技術進步。

五、標準主要內(nèi)容

本標準規(guī)定了低溫冷風微量潤滑磨削加工工藝規(guī)范標準，正文部分共分九章，

內(nèi)容包括標準的適用范圍、規(guī)范性引用文件、符號、應用原理、應用條件、應用

系統(tǒng)組成與功能、技術要求、應用方法等。

六、主要試驗（或驗證）情況分析

1.試驗設備

實驗采用CryoAireCEA361集成式低溫冷風微量潤滑系統(tǒng)，如圖1所示，最低

制冷溫度為-50°C。噴嘴屬于內(nèi)混式結構，采用特殊材料管道對低溫氣體輸送，

減少熱量散失。為保證潤滑油在低溫環(huán)境中不出現(xiàn)凝固現(xiàn)象而實現(xiàn)有效輸運，采

用耐低溫的特殊微量潤滑油F30-A。F30-A為植物油基，可生物降解，含有無毒

無害添加劑，密度為850kg/m3，凝點為20°C，閃點為200°C，沸點為300°C。

植物油基的主要組成成分為脂肪酸和甘油三酯，其中的羧基（-COOH）和酯基

（-OH）是典型的極性基團，在一定程度高溫環(huán)境下可與金屬工件表面發(fā)生化學

反應生成皂化膜，緊緊吸附于工件表面起到優(yōu)異的潤滑性能。

圖1CryoAireCEA361集成式低溫冷風微量潤滑系統(tǒng)

磨削實驗采用德國SCHLEIFRING公司生產(chǎn)的K-P36精密數(shù)控平面磨床。工

件安裝在YDM－III99三向測力儀的夾具上，然后測力儀固定在磨床磁力工作臺

上。為捕捉磨削力詳細信息，采樣率應盡可能高。磨削力測力儀的采樣頻率為

1kHz，通過電荷放大器（YE5850D）和A/D數(shù)據(jù)采集卡（USB-6001）將信號輸

入PC端的“磨削力動態(tài)測試系統(tǒng)”軟件中。雖然測力儀和采集卡中設置了硬件濾

波器，但原始力信號仍然包含大量噪音。多次調(diào)整濾波器參數(shù)，直到非磨削期力

信號波動范圍在1N內(nèi)。磨削溫度測量通過使用MX100采集器（多通道）和雙極

熱電偶實現(xiàn)。實驗前將熱電偶兩極焊合，為確保熱電偶絲焊合點處于閉合狀態(tài)以

測量磨削溫度，使用激光共聚焦顯微鏡觀察焊合點。將焊合后的熱電偶絲插入通

孔并填充隔熱樹脂進行絕熱。同時，確保熱電偶絲焊合點與通孔終端平齊。磨削

過程中，砂輪與工件表面測量點的接觸時間較短（大約500ms），而實驗所用熱

電偶的響應時間為450~500ms。因此該熱電偶測量磨削溫度時其響應時間滿足要

求。磨削完成后取下工件，利用表面輪廓儀（型號：TIME3220）對磨削后工件

表面粗糙度Ra值進行測量，利用激光共聚焦顯微鏡（型號：OLS-5000）工件對

工件已加工表面的微觀形貌進行分析。實驗及測量裝置，如圖2所示。

圖2實驗及測量裝置

為保證磨削過程中砂輪磨粒銳利度相近且更有利于材料去除，以及不同工況

參數(shù)下的測量過程中砂輪磨粒狀態(tài)盡可能一致，每組測量實驗結束后需對CBN

砂輪進行修銳。磨削實驗參數(shù)如表1所示，

表1磨削實驗參數(shù)及冷卻潤滑條件

類別參數(shù)

磨削類型平面磨削，順磨，矩形路徑

CAMQL

流量60mL/h，

冷卻潤滑方式氣壓0.1MPa~0.4MPa，

冷風溫度?10°C~?50°C，

噴嘴傾角12°~16°

砂輪線速度vs30m/s

工件進給速度vw6mm/s

磨削深度ap10μm

2.實驗結果

2.1冷風溫度

冷風溫度對磨削力Ft/Fn、摩擦系數(shù)μc、磨削比能U、磨削區(qū)最高溫度Tmax及

工件表面質量變化趨勢影響規(guī)律分別如圖3(a)~(f)所示。從圖中可以看出不同磨

削性能表征參數(shù)均隨冷風溫度降低呈現(xiàn)出顯著減小的趨勢，在?50°C冷風條件下

的法向力Fn、切向力Ft、摩擦系數(shù)μc、磨削比能U、磨削區(qū)最高溫度Tmax、Ra值及

RSm值相較于?10°C冷風的降低幅度分別達到35.8%、36.5%、34.5%、36.1%、23.4%、

24.5%、20.2%，呈現(xiàn)出相對較高的降幅。這說明在磨削參數(shù)vs=30m/s、vw=6mm/s、

ap=30μm一定的前提下，CAMQL輔助磨削的效果隨冷風溫度降低呈現(xiàn)出增強的

趨勢。

圖3冷風溫度對不同磨削性能表征參數(shù)變化趨勢影響

MQL氣壓一定時穩(wěn)定狀態(tài)的霧化液滴群及氣流對液膜流動的驅動力理論上

將維持不變。當冷風溫度降低時，油膜的運動粘度和表面張力將不同程度增大，

對液膜流動速度產(chǎn)生一定程度阻礙作用導致液膜厚度增加。因此在砂輪有效作用

面積內(nèi)單位時間隨砂輪進入磨削區(qū)的潤滑油量將增加?；谀ハ鲄^(qū)邊界潤滑理論，

油量增加將有助于有效覆蓋工件表面形成的微溝槽，起到潤滑作用。此外，液膜

溫度與冷風溫度正相關，液膜溫度越低，在磨削區(qū)極短接觸時間內(nèi)承受高溫作用

的能力越強，有效避免氧化、解吸附現(xiàn)象，使?jié)櫥湍ず穸染S持有效承載作用狀

態(tài)。因此，磨削力、摩擦系數(shù)及磨削比能顯著降低。低溫高粘度油膜將有效減小

磨削熱的產(chǎn)生量，同時增加磨削區(qū)的換熱量，在疊加作用下顯著降低磨削溫度，

進而一定程度抑制磨削熱軟化和粘附現(xiàn)象，改善工件質量。

2.2氣壓

氣壓對磨削力Ft/Fn、摩擦系數(shù)μc、磨削比能U、磨削區(qū)最高溫度Tmax及工件

表面質量變化趨勢影響規(guī)律分別如圖4(a)~(f)所示。從圖中可以看出，在氣壓

0.1MPa~0.4MPa范圍內(nèi)不同磨削性能表征參數(shù)均隨氣壓增大呈現(xiàn)出顯著減小的

趨勢。然而當氣壓超過0.4MPa后，性能表征參數(shù)隨氣壓增大出現(xiàn)升高趨勢。在

0.1MPa氣壓條件下的法向力Fn、切向力Ft、摩擦系數(shù)μc、磨削比能U、磨削區(qū)最

高溫度Tmax、Ra值及RSm值相較于0.4MPa氣壓的降低幅度分別達到30.7%、35.1%、

29.8%、32.4%、20.7%、21.4%、12.2%，與冷風溫度的影響相比，降幅出現(xiàn)一定

程度減小，表明氣壓對磨削性能的影響強度相對較弱。在磨削參數(shù)vs=30m/s、

vw=6mm/s、ap=30μm一定的前提下，CAMQL輔助磨削的效果隨氣壓增大呈現(xiàn)出

先增強后減弱的趨勢。

圖4氣壓對不同磨削性能表征參數(shù)變化趨勢影響

冷風溫度一定時噴嘴出口的潤滑油溫度將降低到對應低溫值，由于高速霧滴

群在工件表面成膜時間極短，可認為液膜溫度近似等于噴嘴出口處的油溫且短時

間內(nèi)在極小范圍內(nèi)保持相對穩(wěn)定。因此，低溫油膜的運動粘度和表面張力相應保

持穩(wěn)定，在不同氣壓下對流動液膜的粘滯力將相對不變。當氣壓增大時，霧滴群

及氣流速度將不同程度增大，對液膜流動的驅動力增加，引起液膜鋪展面積增大

且厚度相對降低。但液膜流動速度增加，單位時間內(nèi)流入磨削區(qū)的油量依然逐級

增加但增長率逐級減小。

2.3噴嘴傾角

噴嘴傾角對磨削力Ft/Fn、摩擦系數(shù)μc、磨削比能U、磨削區(qū)最高溫度Tmax及

工件表面質量變化趨勢影響規(guī)律分別如圖5(a)~(f)所示。從圖中可以看出，不同

磨削性能表征參數(shù)均隨噴嘴傾角增大呈現(xiàn)出先快速減小后緩慢增大的趨勢，在傾

角16°時均達到最小值。在16°傾角條件下的法向力Fn、切向力Ft、摩擦系數(shù)μc、

磨削比能U、磨削區(qū)最高溫度Tmax、Ra值及RSm值相較于12°傾角的降低幅度僅有

2.5%、7.5%、2.7%、4.2%、5.9%、6.3%、5.2%，與冷風溫度和氣壓的影響相比，

降幅大幅度減小，表明噴嘴傾角在特性范圍內(nèi)對磨削性能的影響強度較低。

圖5噴嘴傾角對不同磨削性能表征參數(shù)變化趨勢影響

在磨削參數(shù)vs=30m/s、vw=6mm/s、ap=30μm一定的前提下，CAMQL輔助磨

削的效果隨傾角增大呈現(xiàn)出先增強后減弱