低溫冷風微量潤滑技術對TC6鈦合金棒加工特性的應用研究

鈦合金具有密度低、耐高溫、耐腐蝕、抗拉強度高、抗疲勞性優異等特點，在航空航天、石油化工等領域得到了廣泛應用[1-3]。傳統機加工工藝在加工新型鈦合金材料時有刀具磨損加劇、工件加工質量不易控制以及切削液的大量使用易造成環境污染、資源浪費等問題。由于切削液不可生物降解，因此廢棄切削液在排放之前需要進行復雜的無害化處理，致使切削液的使用成本高于其加工效益[4-6]。隨著社會對環境保護、節能降耗以及職業健康安全等問題的日益關注，綠色清潔環保的切削技術逐漸成為了機加工工藝的研究焦點[7-8]。其中低溫微量潤滑技術可通過不同冷卻方式和微量的冷卻介質實現不同程度的低溫工況，不僅有助于解決傳統機加工工藝中的質量和成本問題，還為實現“綠色”生產提供了新的解決方案[9-10]。

近年來，國內外學者對低溫微量潤滑技術進行了大量研究。在冷卻方式方面，張慧萍等[11]用CMQL技術進行了機加工，發現該技術可有效提高鈦合金的已加工表面質量、加工效率和刀具壽命。蘇文佳[12]進行了液氮冷卻下的大進給銑削TC4和TC17鈦合金的試驗，發現液氮冷卻不僅能降低刀具磨損，還能降低切削力和環境污染、提高已加工表面質量。高巍等[13]研究了低溫微量潤滑在30CrMnSi結構鋼切削加工中的應用，結果表明，相較于傳統的澆注冷卻潤滑，低溫冷風微量潤滑的加工效率提升了20%以上。Gupta等[14]進行了Ti-3Al-2.5V鈦合金的CMQL車削試驗，結果表明，在CMQL加工環境下可有效降低切削溫度、刀具磨損、切削力和表面粗糙度。在切削參數方面，孔憲俊等[15]采用切削三要素設計正交實驗車削TC11鈦合金，研究表明，切削速度對切削溫度的影響最大，進給量對表面粗糙度的影響最大，切削深度對切削力的影響最大。劉二亮等[16]對鈦合金TC11車削已加工表面質量進行了試驗研究，結果顯示，當切削速度由60m/min提升至100m/min時，工件表面粗糙度降低，切削速度為100m/min時的表面形貌要好于切削速度60m/min時的。

由于國內外學者只進行了熱處理工藝下TC6力學性能及組織性能的影響研究，缺少低溫冷風微量潤滑條件下TC6鈦合金加工特性相關試驗研究。故本文以TC6鈦合金為研究對象，進行低溫冷風微量潤滑車削和干車削試驗，對比分析微觀形貌、粗糙度的變化規律，研究低溫冷風微量潤滑和車削參數對TC6加工表面粗糙度的影響規律，以期為鈦合金的低溫冷風微量潤滑切削應用提供借鑒。

1、低溫車削試驗系統

試驗設備使用CW6163B臥式車床和CTL-40/1.5冷風射流機組合成的低溫冷風微量潤滑車削系統。噴嘴持續噴射由–27℃冷風和微量抗低溫抗磨切削液混合而成的氣液油霧對加工區進行降溫，試驗材料為?42mm×816mm的TC6棒料，試驗刀具采用WNMG080404-HL硬質合金涂層刀具，槽型HL，刀尖半徑為0.4mm。試驗系統如圖1所示。

試驗方案采用單因素試驗法，將切削工況、切削速度、進給量和背吃刀量4個參數作為試驗變量，探究變量對TC6加工表面組織特征、微觀形貌及粗糙度的影響。試驗前對TC6棒料外圓進行均分標記，標記段長度為100mm，分別在常溫干切削工況和–27℃低溫冷風微量潤滑工況下按表1給定加工參數對TC6棒料外圓標記段依次進行車削加工。加工完成后用HYBRID＋激光顯微鏡對TC6棒料已加工表面進行微觀表面組織、三維形貌及粗糙度分析。

材料為TC6鈦合金棒材（由陜西省寶雞市華西工貿有限公司提供）。儀器為CW6163B臥式車床（安陽機床廠）、HYBRID＋激光顯微鏡（日本Lasertec株式會社）、CTL-40/1.5冷風射流機（重慶成田低溫加工技術有限公司）。

2、結果與分析

2.1低溫冷風微量潤滑對表面質量的影響

常溫干切削和低溫冷風微量潤滑切削工況下TC6棒料已加工微觀表面、三維形貌和表面輪廓曲線分別如圖2和圖3所示。對比圖2a和圖2c可明顯發現，干切削條件下TC6加工表面有明顯的劃痕、撕裂、凹坑和鱗刺等瑕疵，同時存在黏屑現象，而低溫下此類瑕疵較少，加工表面組織變形較少。這是由于鈦合金導熱系數低，而干切削時切削熱快速累積，導致切削區溫度急劇升高，高溫可以使合金內部的晶體結構發生變化，如晶粒長大或相界面滑移，從而降低硬度[17]。在熱-力耦合作用下，材料局部的塑性變形加劇，在高溫高壓下易與刀具前刀面發生局部咬焊現象，加速了刀尖積屑瘤的形成，鈍化了前刀面對材料的剪切力，加劇了刀具對材料的擠壓效應，切屑從加工表面剝離時刀尖對材料表層的擠壓使材料表面嚴重變形[18]，致使材料加工表面形成明顯的撕裂、層積組織。此外，在干切削中切屑的塑性變形較大，難以正常斷屑，導致加工區存在纏屑和夾屑現象，易劃傷已加工表面。

在低溫冷風微量潤滑切削工況下，由于前刀面與切屑的耕犁作用，在刀具與切屑接觸區域會產生大量柱狀毛細管，當其與空氣相連通時，霧狀切削液可以通過毛細管滲透到加工表面，在加工表面形成潤滑油膜，減小刀具和工件間的摩擦因數從而減小切削力，降低切削熱的產生[19-20]，高壓冷風射流對切削區的強冷卻作用也能帶走大量切削熱。在兩者共同作用下降低了切削區因熱量累積而導致的TC6材料熱物理變形，抑制了切削時材料塑性變形對刀具的黏結，加速了切屑的排出，減少了撕裂、劃痕、黏屑等缺陷產生[21]。

對比常溫干切削和低溫冷風微量潤滑切削加工表面三維形貌，發現切削過程中刀具刃口圓角及后刀面的擠壓與摩擦使材料發生塑性變形，而切削刃兩端沒有來自側面的約束力，因此切削刃兩端已加工表面處材料被擠壓產生隆起，形成了沿切削運動方向的刀尖輪廓狀槽痕，如圖2b和圖2d所示。而材料塑性變形越大則刀紋凹槽越深，刀紋隆起程度越大，可明顯發現，在低溫工況下加工的刀紋起伏程度較為平整，說明低溫冷風微量潤滑工況下材料加工表面熱變形小。

常溫和低溫冷風微量潤滑下TC6已加工表面輪廓曲線如圖3所示。可知，TC6材料在常溫干切削工況下已加工表面平均粗糙度值為1.89μm，在低溫冷風微量潤滑工況下已加工表面平均粗糙度值為1.54μm，低溫加工使樣件表面粗糙度降低了19%，說明低溫冷風微量潤滑切削可以有效提高加工表面質量。

2.2進給量對表面質量的影響

當進給量為0.22mm/r時，TC6樣件已加工微觀表面、三維形貌及表面輪廓曲線如圖4所示。對比發現，材料加工后微觀表面均存在相似的劃痕和凹坑。而圖4a中的刀紋寬度明顯大于圖2c中的，這是由于刀紋的距離等于每轉的進給量，當進給量為0.14mm/r時刀紋凹槽較為緊湊，刀紋間距為142μm；當進給量為0.22mm/r時刀紋凹槽較寬，刀紋間距為216μm。在大進給量下刀紋凹槽隆起較高，這是由于進給量的增加會導致切削力呈非線性增加。當進給量加倍時，切削力會增加大約65%[22]，從而加速了切削熱的產生，提高了加工區溫度，加劇了材料加工表面塑性變形[23-24]。對比已加工表面輪廓曲線可發現增加進給量會使表面輪廓曲線波動幅度提高，當進給量為0.22mm/r時表面平均粗糙度值為3.00μm，與進給量為0.14mm/r時相比增加了49%，說明進給量的增加會顯著降低加工表面質量。

2.3背吃刀量對表面質量的影響

當背吃刀量為2mm時，TC6樣件已加工微觀表面、三維形貌及表面輪廓曲線如圖5所示。對比發現，背吃刀量的提高會導致材料表面產生大量側流和凹坑。這是由于增加背吃刀量會使切削刀具前刀面與材料接觸面積增大，導致切削區切削抗力與內摩擦力增加，提高了切削力和切削熱，降低了材料的屈服強度和剪切強度，增強了材料的塑性，致使切屑在未被完全切除時便從刀具刀尖兩側沿加工表面滑移出去，形成側流[25]。如圖5b所示，大背吃刀量下的三維表面輪廓明顯較為粗糙，刀紋排列不均勻，凹槽起伏變化較大，這是因為大背吃刀量條件下產生的切削熱較多，材料塑性變形較大，因此加工表面形貌起伏較為明顯[23]。對比已加工表面輪廓曲線可知，當背吃刀量為2mm時，表面粗糙度平均值為2.71μm，與背吃刀量為0.5mm時相比增加了43%，說明較大的背吃刀量會導致表面粗糙度增加。并且背吃刀量較大時粗糙度曲線波動幅度較大，刀紋深淺幅度變化明顯，這是由于背吃刀量的增加會導致切削力成比例的增大，因為背吃刀量的增加直接增加了切削層的體積，從而增加了切削力，所以當背吃刀量加倍時，切削力也會大致加倍[26]。背吃刀量對切削力的影響比進給量對切削力的影響要大，當進給量增加時，切削力的增加不如背吃刀量增加時顯著，因為進給量的增加對切削接觸面積的影響小于背吃刀量的影響，所以背吃刀量的增加會使切削力增大，致使工藝系統產生較大振動，易造成切削過程不穩定[27]。

2.4切削速度對表面質量的影響

當切削速度為31.4m/min時，TC6樣件加工后微觀表面、三維形貌和表面輪廓曲線如圖6所示。對比發現，提高切削速度后，加工微觀表面存在明顯凹坑、劃痕以及不同程度的黏屑和撕裂，并且刀紋排列不均。這是由于提高切削速度易使刀尖的熱量快速積累，進而導致加工區溫度上升，造成工件表面產生黏屑、撕裂以及燒蝕等缺陷。在本試驗所給定的切削速度下，切削力主要由切屑的形成和切削面的摩擦引起。隨著切削速度的提高，切屑的形成變得更加困難，這增加了刀具與切屑之間的摩擦，從而導致切削力增加[28]。切削速度的提高還會引起切削溫度的升高，高溫會導致材料的塑性變形增加，進而增加切削力。對比已加工表面輪廓曲線，發現提高切削速度后加工表面平均粗糙度值為1.59μm，粗糙度變化不大，但粗糙度曲線輪廓波動幅度較大，這是由于大的切削速度使工藝系統不穩定，致使刀具產生震顫，因此較小的切削速度會使加工材料表面質量更好[29]。

3、結論

對TC6樣件進行低溫冷風微量潤滑車削試驗，分析了切削環境和切削三要素對材料加工表面組織特征、微觀形貌和粗糙度的影響，得出以下結論：

1）低溫冷風微量潤滑切削技術的強冷卻作用及微量潤滑作用可以有效降低切削熱對TC6材料加工表面的熱物理影響，可明顯減少切削中因熱量累積而導致材料的塑性變形，減小了刀具與工件間的摩擦，抑制了切削區材料和刀具因內摩擦加劇而導致的咬焊現象，減少了已加工表面缺陷，與常規加工相比，低溫冷風微量潤滑加工可使TC6鈦合金加工表面粗糙度降低19%，可有效提升已加工表面質量。

2）在切削三要素的影響規律研究過程中，當進給量從0.14mm/r提高到0.22mm/r后，加工表面粗糙度值增加了49%；當背吃刀量從0.5mm增加到2mm時，加工表面粗糙度值增加了43%；進給量對表面質量影響最大，背吃刀量對表面質量影響其次，切削速度的增加對表面質量的影響最小，但背吃刀量和切削速度的增加易使工藝系統產生振動，造成不穩定切削現象。

3）將低溫冷風微量潤滑技術應用在加工TC6材料過程中降低了切屑對刀具的磨損，延長了刀具使用壽命。在加工中減少了切削液的使用與排放，實現了低能耗、低污染、低排放的目的，更契合低碳工業的理念。

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