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三個不同水平的切割速度下測試了霧冷卻劑的有效性。在切割速度為135m/min時，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，工具壽命更長。切削速度和冷卻劑流速對表面粗糙度的影響不顯著。表面粗糙度對進(jìn)料速率和切割深度更為敏感。在機(jī)械加工早期，MQL對切削力沒有顯著影響。當(dāng)工具開始磨損時，MQL似乎更有效，因為工具與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。對于鈦及其合金，由于導(dǎo)熱率較低，這個問題更加嚴(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，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Νh(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。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，因為它對性能、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主要問題是應(yīng)用高速加工。高速加工的優(yōu)點是更高的生產(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。高速加工的另一個顯著優(yōu)點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，因為即使施加額外的極端壓力，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，因為刀具壽命不理想，表面光潔度較差，特別是在處理耐熱材料[12]時。
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。本實驗選擇了這種材料。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
本實驗采用PVD涂層碳化物。此插入件安裝在直徑16mm的端磨機(jī)上。每次實驗只使用一顆牙齒。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）顯示了本實驗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）。在本實驗中使用的工具和插入物。
2.3.切削液
本實驗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
所有的機(jī)加工試驗均在三軸數(shù)控銑床上進(jìn)行。Ti-6Al-4V試件的尺寸為100x100x160mm。實驗前對每個表面進(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。
為了測量加工過程中的切削力，將該工件安裝并固定在三軸測功機(jī)上。圖（2）顯示了切削力測量的設(shè)置。
圖（2）。切割力的測量
實驗設(shè)計采用多層因子設(shè)計，本實驗采用。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。本實驗中采用的切削類型為爬升銑削。
表7。DOE的因素和水平
圖（3）。噴嘴的有效方向為[13]。
在不同的時間間隔停止加工，逐步測量刀具磨損。當(dāng)獲得以下標(biāo)準(zhǔn)時，停止工具磨損測量：
側(cè)翼磨損達(dá)到0.3mm
災(zāi)難性工具故障
機(jī)加工時間達(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)為本實驗中切割速度組的刀具壽命。這個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，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，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，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，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?；瘜W(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，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，因為有足夠數(shù)量的冷卻劑可以產(chǎn)生冷卻效果。相反，對于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。這是因為表面粗糙度更多地取決于機(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)對表面粗糙度也有顯著影響。實驗表明，進(jìn)料速率越高，表面粗糙度就越高。
在這個實驗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)生的振動或顫振會對表面光潔度產(chǎn)生顯著影響。為了避免振動，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獲得的切削力平均值的直方圖。在這個階段，刀具仍然鋒利。從這個直方圖中，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，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)。切割速度對切割力的影響似乎不那么顯著。這是由于在本實驗中使用的切削速度的變化很小。為了研究切削速度對切削力的影響，應(yīng)采用較大的切削速度變化方法。
圖（9）。實驗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，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，得到的切削力越低。
圖（9）為實驗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。由于在這個實驗中只使用了一個插入物，所以在每個周期中觀察到單啄。切割刀具旋轉(zhuǎn)一次切割過程。
4.結(jié)論
從這個實驗中，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。在本實驗中，MQL在切割速度為135m/min時最有效，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，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，給料速率對表面粗糙度的影響更為顯著。
雖然MQL對刀具壽命的影響不顯著，但當(dāng)使用刀具磨損時，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。
