切削時(shí)刀屑接觸區(qū)為邊界摩擦狀態(tài)，冷卻潤滑劑難以進(jìn)入，其作用可用毛細(xì)管理論解釋。在切削試驗(yàn)與理論分析的基礎(chǔ)上，提出了圓錐形毛細(xì)管模型。

　　動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果表明：冷卻潤滑劑的微粒尺寸越小，冷卻潤滑效果越好。刀屑接觸面的吸附作用能形成邊界潤滑膜，圓錐形毛細(xì)管能限制冷卻潤滑劑的滲透深度，負(fù)壓力可為冷卻潤滑劑的滲透提供動(dòng)力。

切削時(shí)切屑與前刀面間會(huì)產(chǎn)生劇烈摩擦，冷卻潤滑劑(氣態(tài)、液態(tài)或氣液混合)很難形成流體潤滑，屬于邊界摩擦潤滑。此時(shí)，冷卻潤滑劑是靠滲透到接觸區(qū)的縫隙中而起作用的。由于刀屑的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形成毛細(xì)管現(xiàn)象，產(chǎn)生泵吸作用，因而有助于冷卻潤滑劑的滲入。1958年Merchant 用顯微鏡發(fā)現(xiàn)了刀屑接觸區(qū)存在直徑約為0.2 μm的毛細(xì)管，為毛細(xì)管理論的提出提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。1977年，Williams 提出了長×寬×高=〖WTBX〗l×ma×a〖WTBZ〗的長方體毛細(xì)管模型，并認(rèn)為液體進(jìn)入毛細(xì)管后先是液相滲入，而后是氣相滲入或形成努森流。1997年Godlevski提出了長×半徑=l×r的圓柱體毛細(xì)管模型，認(rèn)為液體進(jìn)入毛細(xì)管后會(huì)迅速蒸發(fā)出現(xiàn)液滴爆炸現(xiàn)象，在毛細(xì)管口(刀屑分離)處會(huì)形成“蒸汽冒”，妨礙后續(xù)液體的進(jìn)入。對(duì)此國內(nèi)的研究較少。

本文作者將在切削試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出一種新的毛細(xì)管模型，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，研究冷卻潤滑劑進(jìn)入刀屑接觸區(qū)的過程與作用機(jī)制。

1切削試驗(yàn)

在干切、乳化液及水蒸氣冷卻潤滑3種條件下，采用YT15硬質(zhì)合金車刀切削45#鋼60 min后停止切削，取下刀片，用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察其前刀面。

切削用量：ap=10 mm，f=0.1 mm/r，vc=119，106，95，85 m/min；乳化液含量為5%（體積分?jǐn)?shù)），流量取3 L/min；水蒸氣溫度為125 ℃，壓力為0.2 MPa，流量為45 L/min，噴嘴直徑為2 mm，冷卻距離為20 mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，與干切削和采用乳化液相比，采用水蒸氣冷卻潤滑時(shí)，刀具后刀面磨損速度可分別減小約50%和40%。用S3400n型掃描電子顯微鏡(SEM)得到前刀面形貌照片如表1所示。可看出，在干切、乳化液及水蒸氣條件下，前刀面上都有白色粘結(jié)物，經(jīng)能譜分析(見圖1)知，其中O元素和Fe元素含量很高，主要是鐵的氧化物。這應(yīng)該是45#鋼切屑中的Fe氧化后形成的。從位置來看，白色粘結(jié)物都出現(xiàn)在刀屑分離處附近，其形成過程可能是切屑與前刀面分離時(shí)，切屑底層部分金屬堆積的結(jié)果。

對(duì)比可知，水蒸氣冷卻潤滑時(shí)白色粘結(jié)物呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。圖2給出了表1中vc=119，85 m/min時(shí)，前刀面月牙洼磨損形貌的放大圖。圖2(a)中的標(biāo)線1為切削刃，1、2間為毗鄰切削刃的前刀面，2、5間為月牙洼區(qū)，2、3間是刀屑接觸的粘結(jié)區(qū)，3、5間是刀屑接觸的滑動(dòng)區(qū)。滑動(dòng)區(qū)4、5間為鐵氧化物，3、4間存在與切削刃垂直的深色條紋，該區(qū)應(yīng)是“毛細(xì)管”存在的區(qū)域。從圖2(a)，(b)可看出，白色的鐵氧化物與深色條紋是連成一體的，并呈現(xiàn)圓錐形，可認(rèn)為是圓錐形“毛細(xì)管”模型的試驗(yàn)證據(jù)。而干切和用乳化液冷卻潤滑時(shí)這種現(xiàn)象不十分明顯，可認(rèn)為“毛細(xì)管”作用比較微弱。另外，乳化液中的水包油液滴尺寸約為1 μm，而水蒸氣中水分子的動(dòng)力學(xué)半徑約為28×10-4 μm， Merchant研究得到的毛細(xì)管尺寸約為2×10-1μm，這說明冷卻潤滑劑的微觀尺寸越小，其滲透性能越好……

3、圓錐形毛細(xì)管模型

在分析試驗(yàn)結(jié)果與前刀面摩擦狀態(tài)的基礎(chǔ)上，可將切削區(qū)的毛細(xì)管假設(shè)為圓錐形。從而不難理解，冷卻潤滑劑中的微粒尺寸(分子直徑或動(dòng)力學(xué)直徑)越小，冷卻潤滑效果越好。這是因?yàn)槲⒘３叽缭叫。趫A錐形毛細(xì)管中滲透得越深，即距離刃口越近。由于切削溫度最高點(diǎn)并不在刃口處，而在f1區(qū)離刃口有一段距離的位置，該點(diǎn)處于內(nèi)摩擦區(qū)，冷卻潤滑劑分子很難到達(dá)。如果冷卻潤滑劑的分子越接近A點(diǎn)，其冷卻潤滑效果可能會(huì)越好……

在毛細(xì)管中水分子的流速與流量受3種因素影響：刀屑接觸面的性質(zhì)、毛細(xì)管形狀和負(fù)壓力。

切削區(qū)實(shí)際上是刀屑新鮮表面接觸區(qū)，存在許多斷裂的化學(xué)鍵，非常活潑，具有極高的能量，從而極易與外界物質(zhì)分子作用來降低其表面能。刀屑接觸面對(duì)水分子的作用力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過水分子間的作用力，形成了分子引力場，即產(chǎn)生了吸附作用，從而形成邊界潤滑膜。

圓錐形毛細(xì)管可影響冷卻潤滑劑的滲透深度。當(dāng)分子半徑較小時(shí)，在圓錐形毛細(xì)管中滲透較深；反之分子半徑較大時(shí)，滲透較淺，甚至不能進(jìn)入毛細(xì)管。

進(jìn)入毛細(xì)管的水分子在泵吸作用(負(fù)壓力)下可向毛細(xì)管深處滲透，但在刀屑接觸面對(duì)水分子引力場的作用下，其速度逐漸減小，在圓錐形毛細(xì)管的頂點(diǎn)處速度減小至0，即形成了邊界潤滑膜。

4 結(jié)論

(1)在試驗(yàn)結(jié)果和理論分析的基礎(chǔ)上，提出了刀屑接觸區(qū)的圓錐形毛細(xì)管模型。利用該模型可說明冷卻潤滑劑中微粒尺寸越小，在毛細(xì)管中滲透越深，越能接近切削溫度最高處，形成邊界潤滑膜面積越大，冷卻潤滑效果越好。

(2)通過動(dòng)力學(xué)分析可知，冷卻潤滑劑在毛細(xì)管中的流速與流量受刀屑接觸面的性質(zhì)、毛細(xì)管形狀和負(fù)壓力3種因素的影響：刀屑接觸面的吸附作用，使冷卻潤滑劑流速和流量逐漸減小，在錐形毛細(xì)管的頂點(diǎn)處二者均為0；毛細(xì)管的圓錐形結(jié)構(gòu)可限制冷卻潤滑劑微粒的滲透深度；負(fù)壓力(泵吸作用)是冷卻潤滑劑微粒在毛細(xì)管中滲透的動(dòng)力。

(3)圓錐形毛細(xì)管模型可為小分子冷卻潤滑劑滲入切削區(qū)的研究和應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。