發(fā)布日期：2024-4-10 14:48:22
1、引言
鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng) 域。TC4鈦合金的難加工性主要表現(xiàn)在：TC4鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)較低， 切削熱積聚于刀尖及前刀面局部范圍內(nèi)，使切削局部環(huán)境惡化，影響表面 加工質(zhì)量；TC4鈦合金在高溫狀態(tài)下的化學(xué)性質(zhì)活潑，易反應(yīng)生成硬化 層，加劇刀具磨損；TC4鈦合金的強(qiáng)度、硬度高、彈性模量小以及摩擦 系數(shù)較大等特點(diǎn)使得單位切削力大，增加功率消耗。
在實(shí)際生產(chǎn)中，由于鈦合金的難加工性以及需要從鍛坯料中去除大量 材料，還存在加工效率低的問題。隨著現(xiàn)代裝備技術(shù)的發(fā)展，高速切削技 術(shù)已具備廣泛推廣的條件，并在鈦合金產(chǎn)品切削加工中得以應(yīng)用［1］。然 而在高速切削狀態(tài)下，采用傳統(tǒng)的澆注式切削潤滑時(shí)，切削液一旦觸碰到 高速旋轉(zhuǎn)的工件或刀具即被甩出，極難到達(dá)切削環(huán)境最為惡劣、最需要冷 卻潤滑的刀尖部位。并且澆注式供給切削液帶來的環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，甚 至飛濺的切削液將對(duì)人身健康產(chǎn)生危害［2］。
因此，在可持續(xù)發(fā)展的大環(huán)境下，制造業(yè)探索并發(fā)展了新型的冷卻潤 滑方式，如干式切削（ＤｒｙＭａｃｈｉｎｉｎｇ，ＤＭ）加工技術(shù)［3］、微量潤 滑（ＭｉｎｉｍｕｍＱｕａｎｔｉｔｙＬｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ，MQL）切削技術(shù)［4］和 低溫冷風(fēng)切削加工技術(shù)［5］以及基于以上技術(shù)的低溫微量潤滑（Ｃｏｌｄ ｍｉｎｉｍｕｍＱｕａｎｔｉｔｙＬｕｂｒｉｃａ-ｔｉｏｎ，CMQL）復(fù)合增效技術(shù)［6］ 。
目前，大量學(xué)者對(duì)新型冷卻潤滑方式在潤滑機(jī)理［7］、鈦合金等難加 工材料的應(yīng)用方面［８］進(jìn)行了研究。ＮａｎｄｙＡ.Ｋ.等［9］使用 CMQL技術(shù)車削加工TC4鈦合金發(fā)現(xiàn)，CMQL技術(shù)能夠有效降低車削 力，并且在斷屑方面有一定優(yōu)勢(shì)。
蘇永生等［10］在干切削和低溫微量潤滑條件下研究織構(gòu)化硬質(zhì)合金 刀具切削鈦合金的性能，研究表明，微溝槽在CMQL條件下能有效改善刀 具的摩擦學(xué)性能。
朱林等［11］對(duì)GH4169鎳基高溫合金在干式、澆注式和低溫冷風(fēng)微 量潤滑條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和仿真對(duì)比，結(jié)果表明：CMQL技術(shù)可以有效降低 切削力和切削溫度，并改善工件的表面質(zhì)量。
易湘斌等［12］進(jìn)行了高速銑削TB6鈦合金試驗(yàn)，研究表明，CMQL 潤滑條件下的表面粗糙度值最小，且表面無明顯晶粒變形。ＰａｒｋＫ.Ｈ. 等［13］研究發(fā)現(xiàn)，低溫液氮結(jié)合MQL可顯著改善加工狀態(tài)，但需要利用 額外的復(fù)雜裝置。
近年來，針對(duì)新型的冷卻潤滑方式的應(yīng)用研究不斷增多，但針對(duì)各種 潤滑條件對(duì)TC4鈦合金切削加工性影響，特別是面向TC4鈦合金粗精加工 過程仍缺乏系統(tǒng)性的研究。本文通過實(shí)驗(yàn)探究不同潤滑條件對(duì)高速車削TC 4鈦合金的切削力和表面粗糙度的影響，分析潤滑條件在不同加工階段的 影響，得出CMQL條件下高速精車TC4鈦合金的切削參數(shù)對(duì)切削力和表面 粗糙度的影響規(guī)律。
2、實(shí)驗(yàn)條件及方案
2.1實(shí)驗(yàn)材料參數(shù)及設(shè)備
研究對(duì)象采用的高強(qiáng)度TC4鈦合金，其主要構(gòu)成成分及力學(xué)性能如表 1和表2所示。實(shí)驗(yàn)采用鑫盛機(jī)床公司生產(chǎn)的ＡＤＧ15Ｍ數(shù)控車床，可實(shí)現(xiàn) ８000r/min高速切削；使用Ｋｉｓｔｌｅｒ9257Ｂ三分量測(cè)力儀測(cè)量切 削力，采用吉泰科儀ＪＤ520粗糙度儀測(cè)量加工表面粗糙度；選用納米涂 層細(xì)顆粒合金刀具（主偏角κｒ＝45°，前角γ0＝5°，后角α0＝15° ），刀尖圓弧半徑采用ｒ＝0.８mm。實(shí)驗(yàn)所用的低溫和MQL環(huán)境采用ＳＵ ＮＡＩＲ公司生產(chǎn)的超低溫微量潤滑系統(tǒng)提供。
2.2實(shí)驗(yàn)方案
設(shè)計(jì)三組切削實(shí)驗(yàn)，分別研究不同潤滑條件對(duì)切削過程的影響、不同 潤滑條件在不同加工階段的影響和CMQL下切削參數(shù)對(duì)切削加工性的影響 。為了分析不同潤滑條件對(duì)TC4鈦合金高速切削加工性的影響，采用單因 素分析法，在選定的切削參數(shù)下，分別對(duì)CMQL、冷風(fēng)、澆注式三種冷卻 潤滑條件下的切削力和表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量和分析。選定的切削參數(shù)如表 3所示。
為了分析不同潤滑條件對(duì)TC4鈦合金粗加工、半精加工、精加 工的影響，采用單因素分析法，針對(duì)干切削、澆注式潤滑、MQL和CMQL 四種不同潤滑環(huán)境進(jìn)行切削力和表面粗糙度測(cè)量和分析。各加工階段的切 削參數(shù)根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)選取，選定的切削參數(shù)如表4所示。
設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn)，以研究CMQL條件下高速切削TC4鈦合金 各切削參數(shù)對(duì)主切削力和表面粗糙度的影響。所選擇的切削參數(shù)范圍屬于 半精加工和精加工階段，正交試驗(yàn)因素水平設(shè)置如表5所示。
3、不同潤滑條件下的TC4鈦合金高速切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
3.1主切削力及表面粗糙度實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果
分別在CMQL、冷風(fēng)、澆注式潤滑環(huán)境下記錄9組實(shí)驗(yàn)測(cè)得的切削力和 表面粗糙度數(shù)據(jù)，如表6所示。為了確保切削力和表面粗糙度數(shù)據(jù)的精度 ，在同一工件上使用同組切削用量走刀3次，取3次的切削力平均值作為 該組的切削力，在粗糙度測(cè)量中圓周均布采樣3次并取平均值，減少人為 因素造成的誤差。
3.2不同冷卻潤滑條件對(duì)主切削力的影響
圖1為CMQL、冷風(fēng)、澆注式潤滑環(huán)境下、以切削速度240m/min高 速車削TC4鈦合金的主切削力對(duì)比柱狀圖�？梢钥闯�，在相同的冷卻潤 滑環(huán)境下，隨著切削深度和進(jìn)給量的增加，主切削力隨之增加，很明顯， 切削深度和進(jìn)給量的增加使切削層公稱橫截面積增大。
量化分析如下：參數(shù)組1相對(duì)于參數(shù)組2的切削層公稱橫截面積增大 了1倍，對(duì)應(yīng)的主切削力分別在CMQL、冷風(fēng)、澆注式潤滑條件下的增大 系數(shù)為2.02，2.01，1.99；參數(shù)組3相對(duì)于參數(shù)組1的切削層公稱 橫截面積增大了1倍，對(duì)應(yīng)的主切削力分別在CMQL、冷風(fēng)、澆注式潤滑 條件下的增大系數(shù)為1.76，1.76，1.８0。說明主切削力增加的主要 影響因素為切削層公稱橫截面積，不受冷卻潤滑條件的影響。
在相同的切削參數(shù)下，CMQL和低溫冷風(fēng)條件能有效降低主切削力， 并且CMQL降低切削阻力的效果更優(yōu)。其中，CMQL的主切削力比低溫冷 風(fēng)的主切削力平均減小約16.4％，并且參數(shù)組3中CMQL的主切削力比低 溫冷風(fēng)減小134.８Ｎ；CMQL的主切削力比澆注式潤滑的主切削力平均 減小約23％，并且參數(shù)組3中CMQL的主切削力比澆注式潤滑減小了213 .6Ｎ。
從以上分析可以看出，在降低切削阻力系數(shù)方面，高速切削時(shí)CMQL 優(yōu)于其他兩種冷卻潤滑加工方法。噴嘴高速噴出的低溫汽霧有很強(qiáng)的吸熱 能力，并且高壓汽霧能夠抵抗高速旋轉(zhuǎn)并有效到達(dá)主切削區(qū)域，實(shí)現(xiàn)較好 的冷卻潤滑效果。
相對(duì)于低溫冷風(fēng)，潤滑油的混合霧化可以在刀—工、刀—屑間完全形成 潤滑油膜，使切削摩擦阻力降低，從而降低切削力。
3.3不同冷卻潤滑條件對(duì)表面粗糙度的影響
圖2為CMQL、冷風(fēng)、澆注式潤滑環(huán)境下、以切削速度240m/min高 速車削TC4鈦合金的表面粗糙度對(duì)比柱狀圖�？梢钥闯觯谙嗤睦鋮s 和潤滑環(huán)境下，參數(shù)組2相對(duì)于參數(shù)組1的表面粗糙度基本沒有變化，參 數(shù)組3相對(duì)于參數(shù)組1的表面粗糙度有明顯增加。根據(jù)表面粗糙度理論公 式可知，表面粗糙度與進(jìn)給量和刀尖圓弧半徑有關(guān)，在相同的切削參數(shù)下 ，CMQL和低溫冷風(fēng)條件的表面粗糙度值略有降低，說明良好的冷卻潤滑 條件能夠?qū)庸け砻尜|(zhì)量帶來提升，并且CMQL要優(yōu)于低溫冷風(fēng)條件。但 是在參數(shù)組3中進(jìn)給量較大的情況下，冷卻潤滑條件的影響程度下降。
表面粗糙度除與理論切削參數(shù)有關(guān)外，還與切削過程中積屑瘤的產(chǎn)生 和消失也有極大關(guān)系。積屑瘤產(chǎn)生的先決條件是切屑底層金屬與刀具前刀 面發(fā)生黏結(jié)，從以上分析可以看出，低溫冷風(fēng)和CMQL可以快速冷卻刀具 和工件，加工表面和切屑的塑性降低，抑制了積屑瘤形成和發(fā)展。
CMQL可以提供良好的潤滑膜，弱化刀具和工件之間的黏結(jié)摩擦，減少 刀具的磨損，并還可以降低切削過程中的振動(dòng)和噪聲，有助于提高表面質(zhì)量。
4、不同潤滑條件下的各加工階段切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
4.1主切削力及表面粗糙度實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果
根據(jù)TC4鈦合金實(shí)際樣件切削加工工藝選取不同加工階段的實(shí)驗(yàn)參數(shù) ，如表7所示，分別在干切削、澆注式、MQL和CMQL潤滑環(huán)境下記錄實(shí) 驗(yàn)測(cè)得的切削力和表面粗糙度數(shù)據(jù)。
4.2在不同加工階段時(shí)冷卻潤滑條件對(duì)切削力的影響
在干切削、澆注式、MQL和CMQL潤滑環(huán)境下，TC4鈦合金在精車、 半精車、粗車加工時(shí)的主切削力點(diǎn)線如圖3所示。
可以看出，在不同的加工階段，切削參數(shù)不變情況下，切削力在不同 冷卻潤滑環(huán)境的變化幅度不大。這說明切削參數(shù)依然是影響切削力大小的 主要因素，而潤滑條件只能在一定范圍內(nèi)影響切削力。對(duì)于精加工而言， 其主切削力隨著干切削、澆注式、MQL和CMQL潤滑環(huán)境的變化依次減 小，總減小量為1８.7Ｎ，減小幅度為17.2％。
CMQL相較于MQL的減小量為2.5Ｎ，減小幅度為2.7％。說明相較 于傳統(tǒng)澆注和無潤滑干切，MQL條件下切削液能夠滲入加工區(qū)域，從而改 善刀具與工件的摩擦狀態(tài)，而傳統(tǒng)澆注量大，流速低，很難深入高速切削 的加工區(qū)域，僅能提供冷卻降溫效果。對(duì)于半精加工而言，其主切削力隨 著干切削、澆注式、MQL潤滑環(huán)境的變化依次減小，共減小121.6Ｎ， 減小幅度為26.1％。
但是，CMQL相對(duì)于MQL略有提高，增加量為20.7Ｎ，說明MQL對(duì)半 精加工降低切削阻力的效果更為有效。
低速、大切深已體現(xiàn)不出CMQL的優(yōu)勢(shì)，這是由于低速環(huán)境下澆注式冷 卻潤滑已經(jīng)達(dá)到一定的效果，而CMQL會(huì)進(jìn)一步降低刀—工切觸區(qū) 的溫度，鈦合金材料塑性下降，切削阻抗增大，切削力變大。對(duì)于粗 加工而言，低速大切深環(huán)境加劇，CMQL相對(duì)于MQL的切削阻抗增大效 果更為明顯，反而干切削的切削力更小，這是因?yàn)闊o潤滑干切的溫升會(huì)對(duì) 鈦合金有熱軟化效果，降低切削阻抗。
4.3在不同加工階段時(shí)冷卻潤滑條件對(duì)表面粗糙度的影響
在干切削、澆注式、MQL、CMQL潤滑環(huán)境下，TC4鈦合金在精車、 半精車、粗車加工時(shí)的表面粗糙度點(diǎn)線如圖4所示。
從圖中可以直觀地看到精加、半精加工、粗加工三種不同的加工階段 粗糙度數(shù)值變化趨勢(shì)一致，由大到小均為干切削、MQL、傳統(tǒng)澆注、CMQ Ｌ。其中，傳統(tǒng)澆注潤滑方式相比MQL潤滑方式，表面粗糙度數(shù)值更小， 表面質(zhì)量更高，這可能是由多種原因造成，例如切屑會(huì)影響微量油液到達(dá) 工件表面、體積微小的油液顆粒容易受熱揮發(fā)、澆注式切削降低了切削加 工區(qū)域的溫度等。
但MQL更加節(jié)省切削液，這大大降低了加工成本，在工件表面質(zhì)量要求 不高時(shí)優(yōu)勢(shì)更加顯著。
另外，根據(jù)不同加工階段時(shí)表面粗糙度的數(shù)值對(duì)比，再次證明切削參數(shù) 的改變對(duì)粗糙度數(shù)值的影響程度大于潤滑條件，潤滑條件只能在一定范圍 內(nèi)影響表面粗糙度。
5、CMQL條件下TC4鈦合金切削正交試驗(yàn)結(jié)果與討論
5.1切削力及表面粗糙度正交試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果
按Ｌ9（34）正交試驗(yàn)方案進(jìn)行TC4鈦合金的高速切 削實(shí)驗(yàn)，獲得的主切削力及表面粗糙度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表８所示，數(shù)據(jù)表明， 在CMQL冷卻潤滑條件下主切削力均在８00Ｎ以內(nèi)；當(dāng)進(jìn)給量ｆ＝0.2ｍ ｍ／ｒ時(shí)，表面粗糙度Ｒａ＜0.7μｍ；當(dāng)進(jìn)給量ｆ＞0.3mm／ｒ時(shí)，表面 粗糙度Ｒａ＞1μｍ。為綜合分析切削參數(shù)對(duì)主切削力和表面粗糙度的影響 程度與規(guī)律，分別對(duì)其進(jìn)行極差分析。
5.2切削力極差分析
根據(jù)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)的直觀極差分析可以確定各因素對(duì)主切削力的影響 規(guī)律，并確定各因素的最優(yōu)水平組合。通過試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算，整理得到 正交試驗(yàn)極差分析表（見表9）。由極差分析結(jié)果可知，在所選切削參數(shù) 范圍內(nèi)，切削速度是影響主切削力的主要因素，其次分別為進(jìn)給量和背吃 刀量，且均大于空列，說明在高速精車TC4鈦合金的影響參數(shù)中，切削三 要素占據(jù)主導(dǎo)地位。
隨著高速切削時(shí)切削速度的增加，工件表面和刀具溫度急劇升高，如 果此時(shí)冷卻潤滑不及時(shí)就會(huì)導(dǎo)致工件和刀具燒傷，表面硬化嚴(yán)重，從而導(dǎo) 致切削力變大以及表面加工質(zhì)量急劇下滑。CMQL給高速精車TC4鈦合金 提供了良好的冷卻潤滑條件，保證切削過程的穩(wěn)定進(jìn)行。為了分析切削參 數(shù)對(duì)主切削力的影響規(guī)律，從極差分析中可知，主切削力隨切削速度的增 大而減小，隨著進(jìn)給量和切削深度的增大而增大。單純考慮主切削力最小 （低碳降耗目標(biāo)），理想的組合方案是大切削速度、盡可能小的背吃刀量 和較小的進(jìn)給量。
5.3表面粗糙度極差分析
根據(jù)表面粗糙度Ｒａ的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，如表10所示。三 個(gè)因素對(duì)表面粗糙度Ｒａ的影響顯著程度由大到小為進(jìn)給量＞切削深度＞ 切削速度，其中進(jìn)給量為主要影響因素，這與理論表面粗糙度相匹配。這 是因?yàn)樵诟咚倬囯A段，CMQL冷卻潤滑條件保證切削過程的穩(wěn)定進(jìn)行， 在高速切削中難以形成對(duì)表面質(zhì)量不利的積屑瘤，保證了表面粗糙度不受 其他不穩(wěn)定因素影響。為了分析切削參數(shù)對(duì)主切削力的影響規(guī)律，從極差 分析表中可知，在CMQL切削條件下，切削速度和切削深度的改變對(duì)TC4 鈦合金加工表面的質(zhì)量影響微乎其微，隨著進(jìn)給量的增加，表面加工質(zhì)量變差。
選用較小的進(jìn)給量可降低工件表面粗糙度。
綜合分析切削參數(shù)對(duì)主切削力和表面粗糙度的影響，考慮實(shí)際CMQL 條件下高速精車TC4鈦合金加工過程，背吃刀量由粗車或半精車留的余量 決定，因此背吃刀量的選擇原則為：在確保工藝過程穩(wěn)定可控的前提下， 盡可能采用較小的精車余量來實(shí)現(xiàn)降低切削力的目的；在切削穩(wěn)定的前提 下盡可能選擇較大的切削速度；進(jìn)給量的選擇則并非越小越好，因?yàn)檫^小 的進(jìn)給量勢(shì)必導(dǎo)致切削效率直線下降，并且進(jìn)給量過小難以形成規(guī)則順暢 的切屑，導(dǎo)致刀具磨損變大，因此，在保證滿足工件表面粗糙度要求的前 提下應(yīng)選擇較大的進(jìn)給量參數(shù)。
6、結(jié)語
通過三組TC4鈦合金切削實(shí)驗(yàn)分析得到以下結(jié)論。
（1）CMQL和MQL冷卻潤滑條件可在TC4鈦合金高速切削中有效降低 切削阻力和改善表面粗糙度，且CMQL復(fù)合增效技術(shù)表現(xiàn)更優(yōu)；
（2）CMQL冷卻潤滑條件在高速精車削階段才體現(xiàn)出降低切削阻力的 優(yōu)勢(shì)，對(duì)低速大切深的粗加工階段反而不利；
（3）考慮CMQL條件下高速精車TC4鈦合金的加工效率，最佳參數(shù)組 合為較高切削速度、較小的精加工余量和合適范圍內(nèi)較大的進(jìn)給量。
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第一作者：國秀麗，講師，安陽工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，455000河南 省安陽市
ＦｉｒｓｔＡｕｔｈｏｒ：ＧｕｏＸｉｕｌｉ，Ｌｅｃｔｕｒｅｒ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃ ｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉ-ｎｅｅｒｉｎｇ，ＡｎｙａｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏ ｇｙ，Ａｎｙａｎｇ，Ｈｅｎａｎ455000，Ｃｈｉｎａ
通信作者：張程焱，博士，講師，許昌學(xué)院電氣與機(jī)械工程學(xué)院，46 1000河南省許昌市
ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇＡｕｔｈｏｒ：ＺｈａｎｇＣｈｅｎｇｙａｎ，Ｐｈ.Ｄ.，Ｌ ｅｃｔｕｒｅｒ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎ ｅｅｒｉｎｇ，ＸｕｃｈａｎｇＵｎｉ-ｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｕｃｈａｎｇ，Ｈｅｎａｎ461000 ，Ｃｈｉｎａ
tag標(biāo)簽:TC4鈦合金