《低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑磨削加工工藝規(guī)范》編制說(shuō)明

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

《低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑磨削加工工藝規(guī)范》

編制說(shuō)明

標(biāo)準(zhǔn)編制小組

2024年2月

《低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑磨削加工工藝規(guī)范》

編制說(shuō)明

一、標(biāo)準(zhǔn)制定的必要性

航空工業(yè)加工制造水平是體現(xiàn)國(guó)家綜合實(shí)力的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)。結(jié)構(gòu)輕量化、

高強(qiáng)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(shì)和終極目標(biāo)。為滿

足使用要求，擁有強(qiáng)度高、韌性強(qiáng)、耐高溫等特性的新型金屬材料應(yīng)運(yùn)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(guò)程中伴隨著彈

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

極易導(dǎo)致磨屑粘附、重鑄，甚至引起工件表面燒傷，嚴(yán)重影響加工表面質(zhì)量和精

度。因此，磨削過(guò)程中有效抑制工件表面熱損傷是亟需解決的技術(shù)難題。

內(nèi)混式低溫冷風(fēng)賦能的準(zhǔn)干式冷卻潤(rùn)滑技術(shù)是由低溫冷風(fēng)(0°C~?60°C)與

微量潤(rùn)滑結(jié)合而成，通過(guò)高壓低溫氣體將微量潤(rùn)滑劑霧化成微米級(jí)顆粒，高速噴

射到磨削區(qū)域。冷風(fēng)與磨削區(qū)的溫差實(shí)現(xiàn)強(qiáng)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(yīng)具有更強(qiáng)的滲透性與潤(rùn)滑性。低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)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(fēng)技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于能

實(shí)現(xiàn)介質(zhì)溫度精準(zhǔn)可控，以適應(yīng)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(guò)大而對(duì)刀具粘結(jié)，降低磨削性

能。冷風(fēng)和潤(rùn)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(fēng)微量潤(rùn)滑技術(shù)在磨削加工中尚處于效果驗(yàn)證性的實(shí)驗(yàn)

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

滑磨削技術(shù)尚無(wú)國(guó)家、行業(yè)技術(shù)規(guī)范，為使低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑磨削工業(yè)金屬材料

實(shí)現(xiàn)最優(yōu)效果，根據(jù)《中華人民共和國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化法》的有關(guān)規(guī)定，特制訂本標(biāo)準(zhǔn)。

綜上所述，研發(fā)制定低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑磨削標(biāo)準(zhǔn)對(duì)行業(yè)發(fā)展是十分必要的。

內(nèi)混式低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑磨削技術(shù)具有廣闊的市場(chǎng)前景和良好的社會(huì)效益，用于

指導(dǎo)低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑切磨削工件表面完整性的主動(dòng)控制。

二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則及依據(jù)

1.按照GB/T1.1-2020《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)

和起草規(guī)則》和GB/T12-2009《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第2部分：標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)范性技

術(shù)要素內(nèi)容的確定方法》要求編寫(xiě)。

2.參照相關(guān)法律、法規(guī)和規(guī)定，在編制過(guò)程中著重考慮了科學(xué)性、適用

性和可操作性。

三、項(xiàng)目背景及工作情況

（一）任務(wù)來(lái)源

根據(jù)《中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)管理辦法》的有

關(guān)規(guī)定，經(jīng)中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì)及相關(guān)專家技術(shù)審核，批

準(zhǔn)《低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑磨削加工工藝規(guī)范》團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)制定計(jì)劃，項(xiàng)目計(jì)劃號(hào)

為：CI2023526。本標(biāo)準(zhǔn)由青島理工大學(xué)提出，中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)歸口。

根據(jù)計(jì)劃要求，本標(biāo)準(zhǔn)完成時(shí)限為4個(gè)月。

（二）標(biāo)準(zhǔn)起草單位

本標(biāo)準(zhǔn)的主要起草單位是青島理工大學(xué)，負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)文檔起草及相關(guān)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(xué)、上海交通大

學(xué)、南京航空航天大學(xué)、重慶大學(xué)、上海工程技術(shù)大學(xué)、漢能（青島）潤(rùn)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(guó)

華（青島）智能裝備有限公司、青島濱海學(xué)院主要參與單位，負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)中重

要技術(shù)點(diǎn)的研究和建議，并參與標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的討論。

（三）標(biāo)準(zhǔn)研制過(guò)程及相關(guān)工作計(jì)劃

（一）前期準(zhǔn)備工作

項(xiàng)目立項(xiàng)前，標(biāo)準(zhǔn)編制小組查閱、研讀相關(guān)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，廣泛搜集低溫

冷風(fēng)微量潤(rùn)滑磨削加工工藝有關(guān)材料。同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)編制小組安排相關(guān)人員，

多次前往機(jī)械加工企業(yè)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，與現(xiàn)場(chǎng)操作人員及安全管理人員進(jìn)行

了深入座談交流，廣泛征求標(biāo)準(zhǔn)制訂方面的意見(jiàn)和建議。

（二）標(biāo)準(zhǔn)起草過(guò)程

2023年12月7日由中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì)向國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委

全國(guó)標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)平臺(tái)立交立項(xiàng)，立項(xiàng)編號(hào)為：CI2023526,并向全社會(huì)公示了十

五日。

2023年12月27日由青島理工大學(xué)以視頻的方式組織了第一次起草會(huì)議，

談?wù)摿藰?biāo)準(zhǔn)的制定要求，確定了分工和編制工作的各項(xiàng)任務(wù)完成時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

2024年1月14日組織了第二次起草會(huì)議，確定下標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容的草案；

2024年2月24日將標(biāo)準(zhǔn)草案提交中國(guó)國(guó)際科技促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會(huì)，

通過(guò)審核，于2月27日?qǐng)?bào)送了全國(guó)標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)，并向全社會(huì)公開(kāi)征求意見(jiàn)30日。

（三）征求意見(jiàn)情況

2024年2月上旬，標(biāo)準(zhǔn)編制小組先后通過(guò)電話、郵件等多種形式征集行

業(yè)專家相關(guān)意見(jiàn)和建議。針對(duì)征集的意見(jiàn)，標(biāo)準(zhǔn)編制小組召開(kāi)了研討會(huì)，將

收集到的意見(jiàn)進(jìn)行匯總處理分析，在充分吸納合理意見(jiàn)的基礎(chǔ)上，先后修改

和完成標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容。于2024年2月27日形成團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)文件最終稿。

四、標(biāo)準(zhǔn)制定的基本原則

標(biāo)準(zhǔn)編制過(guò)程中，遵循了以下基本原則：

1)標(biāo)準(zhǔn)需要具有行業(yè)特點(diǎn)，指標(biāo)及其對(duì)應(yīng)的分析方法要積極參照采用國(guó)

家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2)標(biāo)準(zhǔn)能夠體現(xiàn)出產(chǎn)品的具有關(guān)鍵共性的技術(shù)要素。

3)標(biāo)準(zhǔn)能夠?yàn)楫a(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、改進(jìn)指出明確的方向。

4)標(biāo)準(zhǔn)需要具有科學(xué)性、先進(jìn)性和可操作性。

5)要能夠結(jié)合行業(yè)實(shí)際情況和產(chǎn)品特點(diǎn)。

6)與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)協(xié)調(diào)一致。

7）促進(jìn)行業(yè)健康發(fā)展與技術(shù)進(jìn)步。

五、標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑磨削加工工藝規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，正文部分共分九章，

內(nèi)容包括標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍、規(guī)范性引用文件、符號(hào)、應(yīng)用原理、應(yīng)用條件、應(yīng)用

系統(tǒng)組成與功能、技術(shù)要求、應(yīng)用方法等。

六、主要試驗(yàn)（或驗(yàn)證）情況分析

1.試驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)采用CryoAireCEA361集成式低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)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(jié)構(gòu)，采用特殊材料管道對(duì)低溫氣體輸送，

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

用耐低溫的特殊微量潤(rùn)滑油F30-A。F30-A為植物油基，可生物降解，含有無(wú)毒

無(wú)害添加劑，密度為850kg/m3，凝點(diǎn)為20°C，閃點(diǎn)為200°C，沸點(diǎn)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(tuán)，在一定程度高溫環(huán)境下可與金屬工件表面發(fā)生化學(xué)

反應(yīng)生成皂化膜，緊緊吸附于工件表面起到優(yōu)異的潤(rùn)滑性能。

圖1CryoAireCEA361集成式低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑系統(tǒng)

磨削實(shí)驗(yàn)采用德國(guó)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(cè)力儀的夾具上，然后測(cè)力儀固定在磨床磁力工作臺(tái)

上。為捕捉磨削力詳細(xì)信息，采樣率應(yīng)盡可能高。磨削力測(cè)力儀的采樣頻率為

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

入PC端的“磨削力動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)”軟件中。雖然測(cè)力儀和采集卡中設(shè)置了硬件濾

波器，但原始力信號(hào)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(hào)波動(dòng)范圍在1N內(nèi)。磨削溫度測(cè)量通過(guò)使用MX100采集器（多通道）和雙極

熱電偶實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)前將熱電偶兩極焊合，為確保熱電偶絲焊合點(diǎn)處于閉合狀態(tài)以

測(cè)量磨削溫度，使用激光共聚焦顯微鏡觀察焊合點(diǎn)。將焊合后的熱電偶絲插入通

孔并填充隔熱樹(shù)脂進(jìn)行絕熱。同時(shí)，確保熱電偶絲焊合點(diǎn)與通孔終端平齊。磨削

過(guò)程中，砂輪與工件表面測(cè)量點(diǎn)的接觸時(shí)間較短（大約500ms），而實(shí)驗(yàn)所用熱

電偶的響應(yīng)時(shí)間為450~500ms。因此該熱電偶測(cè)量磨削溫度時(shí)其響應(yīng)時(shí)間滿足要

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

表面粗糙度Ra值進(jìn)行測(cè)量，利用激光共聚焦顯微鏡（型號(hào)：OLS-5000）工件對(duì)

工件已加工表面的微觀形貌進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)及測(cè)量裝置，如圖2所示。

圖2實(shí)驗(yàn)及測(cè)量裝置

為保證磨削過(guò)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(cè)量過(guò)程中砂輪磨粒狀態(tài)盡可能一致，每組測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)束后需對(duì)CBN

砂輪進(jìn)行修銳。磨削實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示，

表1磨削實(shí)驗(yàn)參數(shù)及冷卻潤(rùn)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(rùn)滑方式氣壓0.1MPa~0.4MPa，

冷風(fēng)溫度?10°C~?50°C，

噴嘴傾角12°~16°

砂輪線速度vs30m/s

工件進(jìn)給速度vw6mm/s

磨削深度ap10μm

2.實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1冷風(fēng)溫度

冷風(fēng)溫度對(duì)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(zhì)量變化趨勢(shì)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(fēng)溫度降低呈現(xiàn)出顯著減小的趨勢(shì)，在?50°C冷風(fēng)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(fēng)的降低幅度分別達(dá)到35.8%、36.5%、34.5%、36.1%、23.4%、

24.5%、20.2%，呈現(xiàn)出相對(duì)較高的降幅。這說(shuō)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(fēng)溫度降低呈現(xiàn)出增強(qiáng)的

趨勢(shì)。

圖3冷風(fēng)溫度對(duì)不同磨削性能表征參數(shù)變化趨勢(shì)影響

MQL氣壓一定時(shí)穩(wěn)定狀態(tài)的霧化液滴群及氣流對(duì)液膜流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力理論上

將維持不變。當(dāng)冷風(fēng)溫度降低時(shí)，油膜的運(yùn)動(dòng)粘度和表面張力將不同程度增大，

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

面積內(nèi)單位時(shí)間隨砂輪進(jìn)入磨削區(qū)的潤(rùn)滑油量將增加。基于磨削區(qū)邊界潤(rùn)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(rùn)滑作用。此外，液膜

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

的能力越強(qiáng)，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(shí)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(jìn)而一定程度抑制磨削熱軟化和粘附現(xiàn)象，改善工件質(zhì)量。

2.2氣壓

氣壓對(duì)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(zhì)量變化趨勢(shì)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(shì)。然而當(dāng)氣壓超過(guò)0.4MPa后，性能表征參數(shù)隨氣壓增大出現(xiàn)升高趨勢(shì)。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(dá)到30.7%、35.1%、

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

程度減小，表明氣壓對(duì)磨削性能的影響強(qiáng)度相對(duì)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(qiáng)后減弱的趨勢(shì)。

圖4氣壓對(duì)不同磨削性能表征參數(shù)變化趨勢(shì)影響

冷風(fēng)溫度一定時(shí)噴嘴出口的潤(rùn)滑油溫度將降低到對(duì)應(yīng)低溫值，由于高速霧滴

群在工件表面成膜時(shí)間極短，可認(rèn)為液膜溫度近似等于噴嘴出口處的油溫且短時(shí)

間內(nèi)在極小范圍內(nèi)保持相對(duì)穩(wěn)定。因此，低溫油膜的運(yùn)動(dòng)粘度和表面張力相應(yīng)保

持穩(wěn)定，在不同氣壓下對(duì)流動(dòng)液膜的粘滯力將相對(duì)不變。當(dāng)氣壓增大時(shí)，霧滴群

及氣流速度將不同程度增大，對(duì)液膜流動(dòng)的驅(qū)動(dòng)力增加，引起液膜鋪展面積增大

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

增加但增長(zhǎng)率逐級(jí)減小。

2.3噴嘴傾角

噴嘴傾角對(duì)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(zhì)量變化趨勢(shì)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(shì)，在傾

角16°時(shí)均達(dá)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(fēng)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(duì)磨削性能的影響強(qiáng)度較低。

圖5噴嘴傾角對(duì)不同磨削性能表征參數(shù)變化趨勢(shì)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(qiáng)后減弱