1、引言

鈦合金具有比強度高、耐蝕性好等特點，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鈦合金的強度、硬度高、彈性模量小以及摩擦系數(shù)較大等特點使得單位切削力大，增加功率消耗。

在實際生產(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，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（ＣｏｌDMｉｎｉｍｕｍＱｕａｎｔｉｔｙＬｕｂｒｉｃａ-ｔｉｏｎ，CMQL）復(fù)合增效技術(shù)[6]。

目前，大量學(xué)者對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。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。本文通過實驗探究不同潤滑條件對高速車削TC4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)對切削力和表面粗糙度的影響規(guī)律。

2、實驗條件及方案

2.1實驗材料參數(shù)及設(shè)備

研究對象采用的高強度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。實驗采用鑫盛機(jī)床公司生產(chǎn)的ＡＤＧ15Ｍ數(shù)控車床，可實現(xiàn)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(xì)顆粒合金刀具（主偏角κ_ｒ＝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(huán)境采用ＳＵＮＡＩＲ公司生產(chǎn)的超低溫微量潤滑系統(tǒng)提供。

2.2實驗方案

設(shè)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(shù)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(shù)下，分別對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(huán)境進(jìn)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(shù)根據(jù)實際工程經(jīng)驗選取，選定的切削參數(shù)如表4所示。

設(shè)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(shù)對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鈦合金高速切削實驗結(jié)果與討論

3.1主切削力及表面粗糙度實驗測量結(jié)果

分別在CMQL、冷風(fēng)、澆注式潤滑環(huán)境下記錄9組實驗測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(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比柱狀圖。可以看出，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。

 化分析如下：參數(shù)組1相對于參數(shù)組2的切削層公稱橫截面積增大了1倍，對應(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相對于參數(shù)組1的切削層公稱橫截面積增大了1倍，對應(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，實現(xiàn)較好的冷卻潤滑效果。

相對于低溫冷風(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比柱狀圖。可以看出，在相同的冷卻和潤滑環(huán)境下，參數(shù)組2相對于參數(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)庸け碣|(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驗結(jié)果與討論

4.1主切削力及表面粗糙度實驗測量結(jié)果

根據(jù)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(shù)，如表7所示，分別在干切削、澆注式、MQL和CMQL潤滑環(huán)境下記錄實驗測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(huán)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(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(xiàn)不出CMQL的優(yōu)勢，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。對于粗加工而言，低速大切深環(huán)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(huán)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(shù)值變化趨勢一致，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)量要求不高時優(yōu)勢更加顯著。另外，根據(jù)不同加工階段時表面粗糙度的數(shù)值對比，再次證明切削參數(shù)的改變對粗糙度數(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結(jié)果與討論

5.1切削力及表面粗糙度正交試驗測量結(jié)果

按Ｌ₉（34）正交試驗方案進(jìn)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(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＝0.2mm/r時，表面粗糙度Ra＜0.7μm；當(dāng)進(jìn)給量ｆ＞0.3mm/r時，表面粗糙度Ra＞1μm。為綜合分析切削參數(shù)對主切削力和表面粗糙度的影響程度與規(guī)律，分別對其進(jìn)行極差分析。

5.2主切削力極差分析

根據(jù)正交試驗數(shù)據(jù)的直觀極差分析可以確定各因素對主切削力的影響規(guī)律，并確定各因素的最優(yōu)水平組合。通過試驗測量數(shù)據(jù)計算，整理得到正交試驗極差分析表（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(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的實驗測量數(shù)據(jù)進(jìn)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(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。

這是因為在高速精車階段，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(wěn)定可控的前提下，盡可能采用較小的精車余量來實現(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，因為過小的進(jìn)給量勢必導(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鈦合金切削實驗分析得到以下結(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，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(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，ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉ-ｎｅｅｒｉｎｇ，ＡｎｙａｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，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，461000河南省許昌市

ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇＡｕｔｈｏｒ：ＺｈａｎｇＣｈｅｎｇｙａｎ，Ｐｈ.Ｄ.，Ｌｅｃｔｕｒｅｒ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎDMｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＸｕｃｈａｎｇＵｎｉ-ｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｕｃｈａｎｇ，Ｈｅｎａｎ461000，Ｃｈｉｎａ

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