發布日期：2024-4-10 14:48:22
1、引言
鈦合金具有比強度高、耐蝕性好等特點，被廣泛應用于航空航天等領 域。TC4鈦合金的難加工性主要表現在：TC4鈦合金的導熱系數較低， 切削熱積聚于刀尖及前刀面局部范圍內，使切削局部環境惡化，影響表面 加工質量；TC4鈦合金在高溫狀態下的化學性質活潑，易反應生成硬化 層，加劇刀具磨損；TC4鈦合金的強度、硬度高、彈性模量小以及摩擦 系數較大等特點使得單位切削力大，增加功率消耗。
在實際生產中，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。隨著現代裝備技術的發展，高速切削技 術已具備廣泛推廣的條件，并在鈦合金產品切削加工中得以應用［1］。然 而在高速切削狀態下，采用傳統的澆注式切削潤滑時，切削液一旦觸碰到 高速旋轉的工件或刀具即被甩出，極難到達切削環境最為惡劣、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境問題日益嚴峻，甚 至飛濺的切削液將對人身健康產生危害［2］。
因此，在可持續發展的大環境下，制造業探索并發展了新型的冷卻潤 滑方式，如干式切削（ＤｒｙＭａｃｈｉｎｉｎｇ，ＤＭ）加工技術［3］、微量潤 滑（ＭｉｎｉｍｕｍＱｕａｎｔｉｔｙＬｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ，MQL）切削技術［4］和 低溫冷風切削加工技術［5］以及基于以上技術的低溫微量潤滑（Ｃｏｌｄ ｍｉｎｉｍｕｍＱｕａｎｔｉｔｙＬｕｂｒｉｃａ-ｔｉｏｎ，CMQL）復合增效技術［6］ 。
目前，大量學者對新型冷卻潤滑方式在潤滑機理［7］、鈦合金等難加 工材料的應用方面［８］進行了研究。ＮａｎｄｙＡ.Ｋ.等［9］使用 CMQL技術車削加工TC4鈦合金發現，CMQL技術能夠有效降低車削 力，并且在斷屑方面有一定優勢。
蘇永生等［10］在干切削和低溫微量潤滑條件下研究織構化硬質合金 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 具的摩擦學性能。
朱林等［11］對GH4169鎳基高溫合金在干式、澆注式和低溫冷風微 量潤滑條件下進行實驗和仿真對比，結果表明：CMQL技術可以有效降低 切削力和切削溫度，并改善工件的表面質量。
易湘斌等［12］進行了高速銑削TB6鈦合金試驗，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］研究發現，低溫液氮結合MQL可顯著改善加工狀態，但需要利用 額外的復雜裝置。
近年來，針對新型的冷卻潤滑方式的應用研究不斷增多，但針對各種 潤滑條件對TC4鈦合金切削加工性影響，特別是面向TC4鈦合金粗精加工 過程仍缺乏系統性的研究。本文通過實驗探究不同潤滑條件對高速車削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鈦合金的切削參數對切削力和表面 粗糙度的影響規律。
2、實驗條件及方案
2.1實驗材料參數及設備
研究對象采用的高強度TC4鈦合金，其主要構成成分及力學性能如表 1和表2所示。實驗采用鑫盛機床公司生產的ＡＤＧ15Ｍ數控車床，可實現 ８000r/min高速切削；使用Ｋｉｓｔｌｅｒ9257Ｂ三分量測力儀測量切 削力，采用吉泰科儀ＪＤ520粗糙度儀測量加工表面粗糙度；選用納米涂 層細顆粒合金刀具（主偏角κｒ＝45°，前角γ0＝5°，后角α0＝15° ），刀尖圓弧半徑采用ｒ＝0.８mm。實驗所用的低溫和MQL環境采用ＳＵ ＮＡＩＲ公司生產的超低溫微量潤滑系統提供。
2.2實驗方案
設計三組切削實驗，分別研究不同潤滑條件對切削過程的影響、不同 潤滑條件在不同加工階段的影響和CMQL下切削參數對切削加工性的影響 。為了分析不同潤滑條件對TC4鈦合金高速切削加工性的影響，采用單因 素分析法，在選定的切削參數下，分別對CMQL、冷風、澆注式三種冷卻 潤滑條件下的切削力和表面粗糙度進行測量和分析。選定的切削參數如表 3所示。
為了分析不同潤滑條件對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，針對干切削、澆注式潤滑、MQL和CMQL 四種不同潤滑環境進行切削力和表面粗糙度測量和分析。各加工階段的切 削參數根據實際工程經驗選取，選定的切削參數如表4所示。
設計三因素三水平正交試驗，以研究CMQL條件下高速切削TC4鈦合金 各切削參數對主切削力和表面粗糙度的影響。所選擇的切削參數范圍屬于 半精加工和精加工階段，正交試驗因素水平設置如表5所示。
3、不同潤滑條件下的TC4鈦合金高速切削實驗結果與討論
3.1主切削力及表面粗糙度實驗測量結果
分別在CMQL、冷風、澆注式潤滑環境下記錄9組實驗測得的切削力和 表面粗糙度數據，如表6所示。為了確保切削力和表面粗糙度數據的精度 ，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主切削力的影響
圖1為CMQL、冷風、澆注式潤滑環境下、以切削速度240m/min高 速車削TC4鈦合金的主切削力對比柱狀圖。可以看出，在相同的冷卻潤 滑環境下，隨著切削深度和進給量的增加，主切削力隨之增加，很明顯， 切削深度和進給量的增加使切削層公稱橫截面積增大。
量化分析如下：參數組1相對于參數組2的切削層公稱橫截面積增大 了1倍，對應的主切削力分別在CMQL、冷風、澆注式潤滑條件下的增大 系數為2.02，2.01，1.99；參數組3相對于參數組1的切削層公稱 橫截面積增大了1倍，對應的主切削力分別在CMQL、冷風、澆注式潤滑 條件下的增大系數為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。
在相同的切削參數下，CMQL和低溫冷風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。其中，CMQL的主切削力比低溫冷 風的主切削力平均減小約16.4％，并且參數組3中CMQL的主切削力比低 溫冷風減小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方面，高速切削時CMQL 優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的吸熱 能力，并且高壓汽霧能夠抵抗高速旋轉并有效到達主切削區域，實現較好 的冷卻潤滑效果。
相對于低溫冷風，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表面粗糙度的影響
圖2為CMQL、冷風、澆注式潤滑環境下、以切削速度240m/min高 速車削TC4鈦合金的表面粗糙度對比柱狀圖。可以看出，在相同的冷卻 和潤滑環境下，參數組2相對于參數組1的表面粗糙度基本沒有變化，參 數組3相對于參數組1的表面粗糙度有明顯增加。根據表面粗糙度理論公 式可知，表面粗糙度與進給量和刀尖圓弧半徑有關，在相同的切削參數下 ，CMQL和低溫冷風條件的表面粗糙度值略有降低，說明良好的冷卻潤滑 條件能夠對加工表面質量帶來提升，并且CMQL要優于低溫冷風條件。但 是在參數組3中進給量較大的情況下，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有關外，還與切削過程中積屑瘤的產生 和消失也有極大關系。積屑瘤產生的先決條件是切屑底層金屬與刀具前刀 面發生黏結，從以上分析可以看出，低溫冷風和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展。
CMQL可以提供良好的潤滑膜，弱化刀具和工件之間的黏結摩擦，減少 刀具的磨損，并還可以降低切削過程中的振動和噪聲，有助于提高表面質量。
4、不同潤滑條件下的各加工階段切削實驗結果與討論
4.1主切削力及表面粗糙度實驗測量結果
根據TC4鈦合金實際樣件切削加工工藝選取不同加工階段的實驗參數 ，如表7所示，分別在干切削、澆注式、MQL和CMQL潤滑環境下記錄實 驗測得的切削力和表面粗糙度數據。
4.2在不同加工階段時冷卻潤滑條件對切削力的影響
在干切削、澆注式、MQL和CMQL潤滑環境下，TC4鈦合金在精車、 半精車、粗車加工時的主切削力點線如圖3所示。
可以看出，在不同的加工階段，切削參數不變情況下，切削力在不同 冷卻潤滑環境的變化幅度不大。這說明切削參數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影響切削力。對于精加工而言， 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 于傳統澆注和無潤滑干切，MQL條件下切削液能夠滲入加工區域，從而改 善刀具與工件的摩擦狀態，而傳統澆注量大，流速低，很難深入高速切削 的加工區域，僅能提供冷卻降溫效果。對于半精加工而言，其主切削力隨 著干切削、澆注式、MQL潤滑環境的變化依次減小，共減小121.6Ｎ， 減小幅度為26.1％。
但是，CMQL相對于MQL略有提高，增加量為20.7Ｎ，說明MQL對半 精加工降低切削阻力的效果更為有效。
低速、大切深已體現不出CMQL的優勢，這是由于低速環境下澆注式冷 卻潤滑已經達到一定的效果，而CMQL會進一步降低刀—工切觸區 的溫度，鈦合金材料塑性下降，切削阻抗增大，切削力變大。對于粗 加工而言，低速大切深環境加劇，CMQL相對于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，這是因為無潤滑干切的溫升會對 鈦合金有熱軟化效果，降低切削阻抗。
4.3在不同加工階段時冷卻潤滑條件對表面粗糙度的影響
在干切削、澆注式、MQL、CMQL潤滑環境下，TC4鈦合金在精車、 半精車、粗車加工時的表面粗糙度點線如圖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 粗糙度數值變化趨勢一致，由大到小均為干切削、MQL、傳統澆注、CMQ Ｌ。其中，傳統澆注潤滑方式相比MQL潤滑方式，表面粗糙度數值更小， 表面質量更高，這可能是由多種原因造成，例如切屑會影響微量油液到達 工件表面、體積微小的油液顆粒容易受熱揮發、澆注式切削降低了切削加 工區域的溫度等。
但MQL更加節省切削液，這大大降低了加工成本，在工件表面質量要求 不高時優勢更加顯著。
另外，根據不同加工階段時表面粗糙度的數值對比，再次證明切削參數 的改變對粗糙度數值的影響程度大于潤滑條件，潤滑條件只能在一定范圍 內影響表面粗糙度。
5、CMQL條件下TC4鈦合金切削正交試驗結果與討論
5.1切削力及表面粗糙度正交試驗測量結果
按Ｌ9（34）正交試驗方案進行TC4鈦合金的高速切 削實驗，獲得的主切削力及表面粗糙度實驗數據如表８所示，數據表明， 在CMQL冷卻潤滑條件下主切削力均在８00Ｎ以內；當進給量ｆ＝0.2ｍ ｍ／ｒ時，表面粗糙度Ｒａ＜0.7μｍ；當進給量ｆ＞0.3mm／ｒ時，表面 粗糙度Ｒａ＞1μｍ。為綜合分析切削參數對主切削力和表面粗糙度的影響 程度與規律，分別對其進行極差分析。
5.2切削力極差分析
根據正交試驗數據的直觀極差分析可以確定各因素對主切削力的影響 規律，并確定各因素的最優水平組合。通過試驗測量數據計算，整理得到 正交試驗極差分析表（見表9）。由極差分析結果可知，在所選切削參數 范圍內，切削速度是影響主切削力的主要因素，其次分別為進給量和背吃 刀量，且均大于空列，說明在高速精車TC4鈦合金的影響參數中，切削三 要素占據主導地位。
隨著高速切削時切削速度的增加，工件表面和刀具溫度急劇升高，如 果此時冷卻潤滑不及時就會導致工件和刀具燒傷，表面硬化嚴重，從而導 致切削力變大以及表面加工質量急劇下滑。CMQL給高速精車TC4鈦合金 提供了良好的冷卻潤滑條件，保證切削過程的穩定進行。為了分析切削參 數對主切削力的影響規律，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），理想的組合方案是大切削速度、盡可能小的背吃刀量 和較小的進給量。
5.3表面粗糙度極差分析
根據表面粗糙度Ｒａ的實驗測量數據進行極差分析，如表10所示。三 個因素對表面粗糙度Ｒａ的影響顯著程度由大到小為進給量＞切削深度＞ 切削速度，其中進給量為主要影響因素，這與理論表面粗糙度相匹配。這 是因為在高速精車階段，CMQL冷卻潤滑條件保證切削過程的穩定進行， 在高速切削中難以形成對表面質量不利的積屑瘤，保證了表面粗糙度不受 其他不穩定因素影響。為了分析切削參數對主切削力的影響規律，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TC4 鈦合金加工表面的質量影響微乎其微，隨著進給量的增加，表面加工質量變差。
選用較小的進給量可降低工件表面粗糙度。
綜合分析切削參數對主切削力和表面粗糙度的影響，考慮實際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：在確保工藝過程穩定可控的前提下， 盡可能采用較小的精車余量來實現降低切削力的目的；在切削穩定的前提 下盡可能選擇較大的切削速度；進給量的選擇則并非越小越好，因為過小 的進給量勢必導致切削效率直線下降，并且進給量過小難以形成規則順暢 的切屑，導致刀具磨損變大，因此，在保證滿足工件表面粗糙度要求的前 提下應選擇較大的進給量參數。
6、結語
通過三組TC4鈦合金切削實驗分析得到以下結論。
（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復合增效技術表現更優；
（2）CMQL冷卻潤滑條件在高速精車削階段才體現出降低切削阻力的 優勢，對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，最佳參數組 合為較高切削速度、較小的精加工余量和合適范圍內較大的進給量。
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第一作者：國秀麗，講師，安陽工學院機械工程學院，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，許昌學院電氣與機械工程學院，46 1000河南省許昌市
ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇＡｕｔｈｏｒ：ＺｈａｎｇＣｈｅｎｇｙａｎ，Ｐｈ.Ｄ.，Ｌ ｅｃｔｕｒｅｒ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎ ｅｅｒｉｎｇ，ＸｕｃｈａｎｇＵｎｉ-ｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｕｃｈａｎｇ，Ｈｅｎａｎ461000 ，Ｃｈｉｎａ
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