摘要：冷卻劑在鈦及其合金等高反應(yīng)性材料高速加工中的有效性尚不確定。因此，在進(jìn)行高速加工之前，更好先研究微量潤滑(MQL)的有效性。本文討論了MQL技術(shù)對(duì)利用物理氣相處理(PVD)涂層硬質(zhì)合金工具加工Ti-6Al-4V的可加工性的影響。所研究的可加工性參數(shù)為所產(chǎn)生的切削力和刀具壽命。研究了在干燥和近干燥(或MQL)加工條件下的性能。對(duì)于近干式加工，研究了50和100mL/H的兩種冷卻液流量。在120、135和150m/min三個(gè)不同水平的切割速度下測(cè)試了霧冷卻劑的有效性。在切割速度為135m/min時(shí)，霧冷卻劑的應(yīng)用更有效。在這種速度下，當(dāng)使用更多的冷卻劑時(shí)，工具壽命更長。切削速度和冷卻劑流速對(duì)表面粗糙度的影響不顯著。表面粗糙度對(duì)進(jìn)料速率和切割深度更為敏感。在機(jī)械加工早期，MQL對(duì)切削力沒有顯著影響。當(dāng)工具開始磨損時(shí)，MQL似乎更有效，因?yàn)楣ぞ吲c工件之間的接觸面積更大，從而提供更好的潤滑效果。
介紹
鈦及其合金因其材料具有誘人的特性，即高溫下的高強(qiáng)重比、優(yōu)異的耐腐蝕性和較長的使用壽命，而被廣泛應(yīng)用于航空航天工業(yè)。然而，由于這些材料因其高溫強(qiáng)度高、導(dǎo)熱系數(shù)和化學(xué)反應(yīng)性低、彈性模量[1]相對(duì)較低而被歸類為難韌性材料。此外，這些材料可以在6100C的溫度下著火，唯一的材料可以在純氮[2]中燃燒。
在機(jī)械加工過程中，大部分用于去除材料的機(jī)械能變成了熱量。這種熱量在切割區(qū)域產(chǎn)生高溫。切割速度越高，發(fā)熱速度越快，溫度也越高。機(jī)械加工的新挑戰(zhàn)是利用高切割速度來提高生產(chǎn)率。這是刀具快速磨損的主要原因。對(duì)于鈦及其合金，由于導(dǎo)熱率較低，這個(gè)問題更加嚴(yán)重。在切割區(qū)域中產(chǎn)生的熱量的80%流向切割刀具[3]。
減少刀具磨損的傳統(tǒng)方法是使用切削液。這種切削液可以作為潤滑劑以及在機(jī)加工過程中使用的冷卻劑。使用切削液可以提高切削速度高達(dá)30%，而不影響刀具的使用壽命。然而，切削液的使用對(duì)經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和健康都有負(fù)面影響。切削液的總成本約為總生產(chǎn)成本的17%，而刀具的成本僅為4%[4]。結(jié)果表明，當(dāng)大多數(shù)切削工具可以以較低的成本生產(chǎn)時(shí)，使用切削液不再是經(jīng)濟(jì)可靠的。
處理不當(dāng)?shù)那邢饕嚎赡軙?huì)對(duì)環(huán)境造成損害。根據(jù)嚴(yán)格的環(huán)境保護(hù)規(guī)則，這種切割液需要適當(dāng)處理。另一方面，機(jī)器操作人員暴露在切削液的負(fù)面影響中，會(huì)有如皮膚和肺部的問題[5]。
然而，由于刀具壽命不佳和表面光潔度差，完全消除切削液似乎不現(xiàn)實(shí)。這種快速的刀具磨損不僅具有更高的表面粗糙度值，而且具有更高的顯微硬度和主要的微觀結(jié)構(gòu)變化[7]。
切割工具涂層材料的先進(jìn)發(fā)展為機(jī)械加工過程做出了重大的改進(jìn)。涂層材料在刀具和工作材料[8]之間創(chuàng)建了額外的潤滑層。這使得涂層切割工具適用的干式和近干式加工和高速切割[9]。但對(duì)于鈦及其合金的加工，由于工作材料的化學(xué)反應(yīng)性，涂層材料是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不確定的。
對(duì)于鈦及其合金等航空航天應(yīng)用，表面光潔度的質(zhì)量是非常重要的，因?yàn)樗鼘?duì)性能、安全性、壽命、生命周期成本和可靠性的需求非常高。研究機(jī)加工部件的表面完整性現(xiàn)在為生產(chǎn)高質(zhì)量的產(chǎn)品變得重要和必要。
鈦合金加工中的另一個(gè)主要問題是應(yīng)用高速加工。高速加工的優(yōu)點(diǎn)是更高的生產(chǎn)率、更好的表面加工、無毛刺邊緣和加工[11]后幾乎無應(yīng)力的部件。高速加工的另一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是施加了較低的切削力，可以減少發(fā)熱，提高刀具的使用壽命。然而，鈦合金高速加工對(duì)切削流體的需求有待研究。傳統(tǒng)切削流體在高速加工中的應(yīng)用是無效的，因?yàn)榧词故┘宇~外的極端壓力，流體也不能穿透切屑-刀具界面。完全消除切削流體似乎并不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)榈毒邏勖焕硐?，表面光潔度較差，特別是在處理耐熱材料[12]時(shí)。
研究表明，使用極低量的切削液是可行的，似乎有更長的刀具壽命和更好的表面光潔度磨削操作[9,10,12]。這種方法被稱為微量潤滑(MQL)，并被認(rèn)為是近干式加工。切削液以霧的形式噴射到切削區(qū)域。這層薄霧會(huì)蒸發(fā)掉，不留下任何殘留物。唯一的問題是需要適當(dāng)?shù)撵F化器來避免機(jī)器操作員呼吸這種霧。
2.方法學(xué)
2.1.工件材料
在航空航天工業(yè)中使用的鈦合金中，Ti-6Al-4V組的鈦合金是應(yīng)用最廣泛的。本實(shí)驗(yàn)選擇了這種材料。該材料的組成(wt%)和力學(xué)性能分別見表1和表2。
表1。Ti-6Al-4V的組成（wt%）
表2。Ti-6Al-4V在室溫條件下的力學(xué)性能
2.2.切割工具材料
本實(shí)驗(yàn)采用PVD涂層碳化物。此插入件安裝在直徑16mm的端磨機(jī)上。每次實(shí)驗(yàn)只使用一顆牙齒。插入件的幾何形狀為圓形，直徑為10毫米。插入物和涂層材料的顯著數(shù)據(jù)分別見表3、表4和表5。圖（1）顯示了本實(shí)驗(yàn)中使用的工具和插入物。
表3。切削刀具組成
表4。刀具的物理力學(xué)性能
表5。切割刀具的幾何形狀
圖（1）。在本實(shí)驗(yàn)中使用的工具和插入物。
2.3.切削液
本實(shí)驗(yàn)采用了水不混溶的切削液。然而，這種冷卻劑可與溶劑或礦物油混溶。通過調(diào)節(jié)供應(yīng)的空氣壓力和噴嘴的打開來達(dá)到所需的冷卻劑流量。該切削液的標(biāo)稱數(shù)據(jù)見表6。
表6。切削液的力學(xué)性能
2.4.加工試驗(yàn)
所有的機(jī)加工試驗(yàn)均在三軸數(shù)控銑床上進(jìn)行。Ti-6Al-4V試件的尺寸為100x100x160mm。實(shí)驗(yàn)前對(duì)每個(gè)表面進(jìn)行2mm厚的試件進(jìn)行預(yù)加工，以消除外層的殘余應(yīng)力和老化。
為了測(cè)量加工過程中的切削力，將該工件安裝并固定在三軸測(cè)功機(jī)上。圖（2）顯示了切削力測(cè)量的設(shè)置。
圖（2）。切割力的測(cè)量
實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)采用多層因子設(shè)計(jì)，本實(shí)驗(yàn)采用。美國能源部的摘要如表7所示。切割的徑向深度保持不變，即10mm。圖（3）顯示了霧冷卻劑噴嘴的方向。本實(shí)驗(yàn)中采用的切削類型為爬升銑削。
表7。DOE的因素和水平
圖（3）。噴嘴的有效方向?yàn)閇13]。
在不同的時(shí)間間隔停止加工，逐步測(cè)量刀具磨損。當(dāng)獲得以下標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，停止工具磨損測(cè)量：
側(cè)翼磨損達(dá)到0.3mm
災(zāi)難性工具故障
機(jī)加工時(shí)間達(dá)到20分鐘
3.結(jié)果和討論
3.1.工具壽命
不同切割條件下的刀具壽命數(shù)據(jù)見圖（4）所示。直方圖4(a)為本實(shí)驗(yàn)中切割速度組的刀具壽命。這個(gè)直方圖顯示了切削速度和刀具壽命之間的強(qiáng)關(guān)系。更高的切割速度會(huì)導(dǎo)致刀具壽命更短。但在較高的進(jìn)料速率和切割深度時(shí)，切割速度的影響不那么顯著。這是由于斷裂失效，當(dāng)采用高進(jìn)料率和高切割深度時(shí)，它比逐漸磨損更重要。相反，當(dāng)用MQL組繪制刀具壽命直方圖，如圖4(b)所示時(shí)，刀具壽命與使用的MQL量之間沒有線性相關(guān)。
當(dāng)使用高量冷卻劑時(shí)，刀具壽命更長，僅切割135m/min。在120m/min的速度下，干式加工可以提供更好的刀具壽命。由于化學(xué)磨損[14]，MQL為50mL/H下的刀具壽命較短。化學(xué)磨損的證據(jù)是在磨損達(dá)到0.2mm后磨損快速增長。當(dāng)涂層材料被消除時(shí)，磨損急劇增加。進(jìn)度磨損增長圖如圖（5）所示。在MQL為100mL/H下，化學(xué)磨損的影響較少，因?yàn)橛凶銐驍?shù)量的冷卻劑可以產(chǎn)生冷卻效果。相反，對(duì)于150m/min的切割速度，MQL100mL/H的效率低于MQL50mL/H。這是由于更大的霧顆粒不能穿透到切割區(qū)。旋轉(zhuǎn)工具產(chǎn)生的離心力阻礙了這種粒子的穿透。
3.2.表面粗糙度
在不同的切割條件下，表面粗糙度隨行程長度的變化數(shù)據(jù)如圖（6）所示。從得到的表面粗糙度結(jié)果來看，表面粗糙度與切削速度和冷卻劑流量之間沒有相關(guān)關(guān)系。這是因?yàn)楸砻娲植诙雀嗟厝Q于機(jī)床的剛度和刀具[15]的幾何形狀。此外，進(jìn)料速率等切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度也有顯著影響。實(shí)驗(yàn)表明，進(jìn)料速率越高，表面粗糙度就越高。
在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中獲得的表面粗糙度值較低是由于所使用的刀具的幾何形狀。圓形的插入物可以被認(rèn)為是較大的鼻半徑。鼻部半徑越高，表面粗糙度值越低。在加工過程中發(fā)生的振動(dòng)或顫振會(huì)對(duì)表面光潔度產(chǎn)生顯著影響。為了避免振動(dòng)，切割參數(shù)的選擇是非常重要的。
3.3.切割力
圖（7）顯示了在各種切削條件下加工開始時(shí)獲得的切削力平均值的直方圖。在這個(gè)階段，刀具仍然鋒利。從這個(gè)直方圖中，我們可以得出結(jié)論，切削力和切削深度之間有很強(qiáng)的相關(guān)性。切削力和進(jìn)給速度之間存在中度相關(guān)性。進(jìn)給速度和切削深度越高，切削力越大。需要更多的能量才能在較短的時(shí)間內(nèi)去除較高的體積。
圖（4）。(a)刀具壽命與切削速度、冷卻劑和進(jìn)料速率的直方圖(b)刀具壽命與MQL、切削速度、進(jìn)料速率和切削深度的直方圖。
圖（5）。不同切割速度(a)120m/分鐘(b)135m/分鐘(c)150m/分鐘。
圖（6）。不同切削速度下的表面粗糙度隨行程長度的變化。
圖（7）。切削力與MQL、切削速度、進(jìn)料速率、切割(a)切削力在X軸（進(jìn)料方向）(b)Yaxis（垂直于進(jìn)料）(c)Z軸（軸向）上的深度的直方圖。
圖（8）。0.1mm/齒和切割深度2mm(a)切割速度120mm/min(b)切割速度135m/min(c)切割速度150m/min。
當(dāng)MQL變化時(shí)，由于直方圖上不規(guī)則，切割力與MQL之間可能存在線性相關(guān)。切割速度對(duì)切割力的影響似乎不那么顯著。這是由于在本實(shí)驗(yàn)中使用的切削速度的變化很小。為了研究切削速度對(duì)切削力的影響，應(yīng)采用較大的切削速度變化方法。
圖（9）。實(shí)驗(yàn)中記錄的典型切切形式，切切力x軸為(a)，y軸為(b)，z軸為(c)。
圖（8）中的圖表顯示了在加工過程中逐步獲得的切削力的變化。在加工結(jié)束時(shí)獲得了更高的切割力。在此階段，側(cè)翼磨損達(dá)到了0.3毫米。當(dāng)?shù)毒呒舛俗冣g時(shí)，刀具尖端與工件之間形成更多的接觸區(qū)域。這導(dǎo)致了更大的摩擦，從而增加了切割力。在這個(gè)階段，MQL的影響似乎更為顯著。在干燥條件下，切削力越大，而在施加MQL時(shí)，得到的切削力越低。
圖（9）為實(shí)驗(yàn)過程中記錄的切割力的典型形式。這種循環(huán)形式的數(shù)據(jù)是由于在銑削操作過程中中斷的切削過程。周期或頻率取決于刀具的轉(zhuǎn)速。由于在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中只使用了一個(gè)插入物，所以在每個(gè)周期中觀察到單啄。切割刀具旋轉(zhuǎn)一次切割過程。
4.結(jié)論
從這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們可以得出以下結(jié)論：
在任何切削條件下，切削速度都是控制刀具壽命的主要因素。
MQL的應(yīng)用在刀具壽命和表面粗糙度方面并不總是有效的。MQL只在一定的切割速度下才有效。在本實(shí)驗(yàn)中，MQL在切割速度為135m/min時(shí)最有效，以獲得更好的刀具壽命。
由于較高的顆粒難以穿透切割區(qū)，MQL較高在切割速度下效率較低。當(dāng)施加更高的切割速度時(shí)，需要更高的壓力來確保霧顆粒能夠穿透切割區(qū)。
切削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的直接影響并不顯著。表面粗糙度更多地取決于刀具的幾何形狀和機(jī)器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。但與其他切割參數(shù)相比，給料速率對(duì)表面粗糙度的影響更為顯著。
雖然MQL對(duì)刀具壽命的影響不顯著，但當(dāng)使用刀具磨損時(shí)，MQL似乎更有效。工具與工件之間的接觸面積越大，潤滑效果越好。
