潤(rùn)滑條件對(duì)TC4鈦合金切削加工影響的實(shí)驗(yàn)研究

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 鈦合金的難加工性能主要表現(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]。然而在高速度切削狀態(tài)下，采用傳統(tǒng)的澆注式切削潤(rùn)滑時(shí)，切削液一旦觸碰到高速旋轉(zhuǎn)的工作或刀具即被甩出，極難到達(dá)切削環(huán)境最為惡劣，最需要冷卻潤(rùn)滑的刀尖部位。并且澆注式供給切削液帶來(lái)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)展的下環(huán)境下，制造業(yè)探索并發(fā)展了新型的冷卻潤(rùn)滑方式，如干式切削（Dry Machining, DM）加工技術(shù)[3]，微量潤(rùn)滑（Minimum Quantity Lubrication, 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(rùn)滑（Cold minimum Quantity Lubrication, CMQL）復(fù)合增效技術(shù)[6]。

目前，大量學(xué)者對(duì)新型冷卻潤(rùn)滑方式在潤(rùn)滑機(jī)理[7]、鈦合金等難加工材料的應(yīng)用方面進(jìn)行了研究。Nandy A. 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]在千切削和低溫微量潤(rùn)滑條件下研究納米化硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金的性能，研究表明，微薄槽在 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(rùn)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。易潮磁等[12]進(jìn)行了高速切削 Tb6 鈦合金試驗(yàn)，研究表明，CMQL 潤(rùn)滑條件下的表面粗糙度值最小，且表面無(wú)明顯晶粒變形。Park K. H. 等[13]研究發(fā)現(xiàn)，低溫微量鈦合金 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(lái)，針對(duì)新型的冷卻潤(rùn)滑方式的應(yīng)用研究不斷增多，但針對(duì)各種潤(rùn)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(guò)程仍缺乏系統(tǒng)性的研究。本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究不同潤(rùn)滑條件對(duì)高速車削 TC4 鈦合金的切削力和表面粗糙度的影響，分析潤(rùn)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)成成分為學(xué)生能如表 1 和表 2 所示。實(shí)驗(yàn)采用疊盛機(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 Kistler 9257B 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κ_r = 45^\circ\)，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 SUNAIR 公司生產(chǎn)的超低溫微量潤(rùn)滑系統(tǒng)提供。

表 1 TC4 鈦合金化學(xué)成分（%）

表 2 TC4 鈦合金力學(xué)性能

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(rùn)滑條件對(duì)切削過(guò)程的影響，不同潤(rùn)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(rùn)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(rùn)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。

表 3 實(shí)驗(yàn)一切削參數(shù)

為了分析不同潤(rùn)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)千切削、澆注式潤(rùn)滑、MQL 和 CMQL 四種不同潤(rùn)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。

表 4 實(shí)驗(yàn)二切削參數(shù)

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 TCA 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。

表 5 實(shí)驗(yàn)三正交試驗(yàn)因素水平

3、不同潤(rùn)滑條件下的 TCA 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(rùn)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是 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。

表 6 不同冷卻潤(rùn)滑條件下的主切削力及表面粗糙度實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

3.2 不同冷卻潤(rùn)滑條件對(duì)主切削力的影響

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加了 1 倍，對(duì)應(yīng)的主切削力分別在 CMQL、冷風(fēng)、澆注式潤(rùn)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加了 1 倍，對(duì)應(yīng)的主切削力分別在 CMQL、冷風(fēng)、澆注式潤(rùn)滑條件下的增大系數(shù)為 1.76, 1.76, 1.80。說(shuō)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(rùn)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)的主切削力平均減少約 16.4%，并且參數(shù)組 3 中 CMQL 的主切削力比低溫冷風(fēng)減少 134.8N；CMQL 的主切削力比澆注式潤(rùn)滑的主切削力平均減少約 23%，并且參數(shù)組 3 中 CMQL 的主切削力比澆注式潤(rùn)滑減少了 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(rùn)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(rùn)滑效果。相對(duì)于低溫冷風(fēng)，潤(rùn)滑油的混合霧化可以在刀一工、刀一周間完全形成潤(rùn)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(rùn)滑條件對(duì)表面粗糙度的影響

可以看出，在相同的冷卻潤(rùn)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(shuō)明良好的冷卻潤(rùn)滑條件能夠?qū)庸け砻尜|(zhì)量帶來(lái)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(rùn)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(guò)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)生粘結(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(rùn)滑膜，弱化刀具和工作之間的黏結(jié)摩擦，減少刀具的磨損，并還可以降低切削過(guò)程中的振動(dòng)和噪聲，有助于提高表面質(zhì)量。

4、不同潤(rùn)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(rùn)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)。

表 7 不同加工階段主切削力及表面粗糙度實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

4.2 在不同加工階段時(shí)冷卻潤(rùn)滑條件對(duì)切削力的影響

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(rùn)滑環(huán)境的變化幅度不大。這說(shuō)明切削參數(shù)依然是影響切削力大小的主要因素，而潤(rùn)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，其主切削力隨若干切削、澆注式、MQL 和 CMQL 潤(rùn)滑環(huán)境的變化依次減小，總減少量為 18.7N，減少幅度為 17.2%。CMQL 相較于 MQL 的減少量為 2.5N，減少幅度為 2.7%。說(shuō)明相較于傳統(tǒng)澆注和無(wú)潤(rùn)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，其主切削力隨若干切削、澆注式、MQL 潤(rùn)滑環(huán)境的變化依次減小，共減少 121.6N，減少幅度為 26.1%。但是，CMQL 相對(duì)于 MQL 略有提高，增加量為 20.7N，說(shuō)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(rùn)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，低速大切深不增加，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(wú)潤(rùn)滑干切的溫升會(huì)對(duì)鈦合金有熱敏化效果，降低切削阻抗。

4.3 在不同加工階段時(shí)冷卻潤(rùn)滑條件對(duì)表面粗糙度的影響

從圖中可見直觀地看到精加工、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、CMQL。其中，傳統(tǒng)澆注潤(rùn)滑方式相比 MQL 潤(rùn)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(rùn)滑條件，潤(rùn)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(rùn)滑條件下主切削力均在 800N 以內(nèi)；當(dāng)進(jìn)給量 f = 0.2mm/r 時(shí)，表面粗糙度 R_a < 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。

表 8 CMQL 條件下切削力及表面粗糙度測(cè)量結(jié)果

5.2 主切削力極差分析

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(guò)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(shuō)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。

表 9 主切削力正交試驗(yàn)分析（N）

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(rùn)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 高轉(zhuǎn)速精車 TC4 鈦合金提供了良好的冷卻潤(rùn)滑條件，保證切削過(guò)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(rùn)滑條件保證切削過(guò)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，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)量影響平衡，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。

表 10 表面粗糙度正交試驗(yàn)分析（μm）

6、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)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(rùn)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(rùn)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。

參考文獻(xiàn)

[1] 何曉,李國(guó)和,孫勇,等.鈦合金高速切削加工試驗(yàn)研究進(jìn)展[J].工具技術(shù),2021,55(8):11-23.

[2] 袁松梅,朱光遠(yuǎn),王莉.綠色切削微量潤(rùn)滑技術(shù)潤(rùn)滑劑特性研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2017,53(17):131-140.

[3] 胡明哲.干式切削加工技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].機(jī)床與液壓,2019,47(13):179-185.

[4] 李海峽,趙慶軍,申紹旭,等.基于MQL的切削加工技術(shù)應(yīng)用[J].工具技術(shù),2022,56(5):64-67.

[5] 顧祖強(qiáng),張昌義,魏成雙,等.干式冷風(fēng)切削技術(shù)在高效率、純加工中的應(yīng)用[J].工具技術(shù),2007,41(4):83-85.

[6] 楊簡(jiǎn)銘,王成勇,袁光輝,等.微量潤(rùn)滑復(fù)合增效技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展[J].中國(guó)機(jī)械工程,2022,33(5):506-528.

[7] 劉明政,李長(zhǎng)河,曹華軍,等.低溫微量潤(rùn)滑加工技術(shù)研究進(jìn)展與應(yīng)用[J].中國(guó)機(jī)械工程,2022,33(5):529-550.

[8] 高東強(qiáng),曾行軍,何乃如,等.低溫切削技術(shù)在難加工材料加工中的應(yīng)用[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2020(6):39-43.

[9] Nandy A K, Gowrishankar M C, Paul S. Some studies on high-pressure cooling in turning of Ti-6Al-4V[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2009,49(2):182-198.

[10] 蘇永生,李亮,王剛,等.織構(gòu)化刀具切削性能測(cè)試及切削溫度仿真分析[J].潤(rùn)滑與密封,2018,43(3):92-97.

[11] 朱林,路丹妮.低溫冷風(fēng)MQL切削鎳基高溫合金的仿真與實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)床與液壓,2018,46(14):24-26.

[12] 易湘斌,黃炳元,李寶棟,等.不同冷卻潤(rùn)滑條件下TB6鈦合金高速切削表面完整性研究[J].潤(rùn)滑與密封,2018,43(11):36-41.

[13] Park K H, Suhaimi M A, Yang G D, et al. Milling of titanium alloy with cryogenic cooling and minimum quantity lubrication (MQL)[J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing,2017,18(1):5-14.

第一作者: 周秀麗,講師,安陽(yáng)工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,455000河南省安陽(yáng)市

First Author: Guo Xiuli, Lecturer, School of Mechanical Engineering, Anyang Institute of Technology, Anyang, Henan 455000, China

通信作者: 張程毅,博士,講師,許昌學(xué)院電氣與機(jī)械工程學(xué)院,461000河南省許昌市

Corresponding Author: Zhang Chengyan, Ph. D., Lecturer, School of Electrical and Mechanical Engineering, Xuchang University, Xuchang, Henan 461000, China

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