鈦合金具有密度低、耐高溫、耐腐蝕、抗拉強(qiáng)度高、抗疲勞性優(yōu)異等特點(diǎn)，在航空航天、石油化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。傳統(tǒng)機(jī)加工工藝在加工新型鈦合金材料時(shí)有刀具磨損加劇、工件加工質(zhì)量不易控制以及切削液的大量使用易造成環(huán)境污染、資源浪費(fèi)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(jìn)行復(fù)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(huì)對(duì)環(huán)境保護(hù)、節(jié)能降耗以及職業(yè)健康安全等問題的日益關(guān)注，綠色清潔環(huán)保的切削技術(shù)逐漸成為了機(jī)加工工藝的研究焦點(diǎn)[7-8]。其中低溫微量潤(rùn)滑技術(shù)可通過不同冷卻方式和微量的冷卻介質(zhì)實(shí)現(xiàn)不同程度的低溫工況，不僅有助于解決傳統(tǒng)機(jī)加工工藝中的質(zhì)量和成本問題，還為實(shí)現(xiàn)“綠色”生產(chǎn)提供了新的解決方案[9-10]。

近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)低溫微量潤(rùn)滑技術(shù)進(jìn)行了大量研究。在冷卻方式方面，張慧萍等[11]用CMQL技術(shù)進(jìn)行了機(jī)加工，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)可有效提高鈦合金的已加工表面質(zhì)量、加工效率和刀具壽命。蘇文佳[12]進(jìn)行了液氮冷卻下的大進(jìn)給銑削TC4和TC17鈦合金的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)液氮冷卻不僅能降低刀具磨損，還能降低切削力和環(huán)境污染、提高已加工表面質(zhì)量。高巍等[13]研究了低溫微量潤(rùn)滑在30CrMnSi結(jié)構(gòu)鋼切削加工中的應(yīng)用，結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)的澆注冷卻潤(rùn)滑，低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑的加工效率提升了20%以上。Gupta等[14]進(jìn)行了Ti-3Al-2.5V鈦合金的CMQL車削試驗(yàn)，結(jié)果表明，在CMQL加工環(huán)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(shù)方面，孔憲俊等[15]采用切削三要素設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)車削TC11鈦合金，研究表明，切削速度對(duì)切削溫度的影響最大，進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響最大，切削深度對(duì)切削力的影響最大。劉二亮等[16]對(duì)鈦合金TC11車削已加工表面質(zhì)量進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示，當(dāng)切削速度由60m/min提升至100m/min時(shí)，工件表面粗糙度降低，切削速度為100m/min時(shí)的表面形貌要好于切削速度60m/min時(shí)的。

由于國(guó)內(nèi)外學(xué)者只進(jìn)行了熱處理工藝下TC6力學(xué)性能及組織性能的影響研究，缺少低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑條件下TC6鈦合金加工特性相關(guān)試驗(yàn)研究。故本文以TC6鈦合金為研究對(duì)象，進(jìn)行低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑車削和干車削試驗(yàn)，對(duì)比分析微觀形貌、粗糙度的變化規(guī)律，研究低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑和車削參數(shù)對(duì)TC6加工表面粗糙度的影響規(guī)律，以期為鈦合金的低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑切削應(yīng)用提供借鑒。

1、低溫車削試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)設(shè)備使用CW6163B臥式車床和CTL-40/1.5冷風(fēng)射流機(jī)組合成的低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑車削系統(tǒng)。噴嘴持續(xù)噴射由–27℃冷風(fēng)和微量抗低溫抗磨切削液混合而成的氣液油霧對(duì)加工區(qū)進(jìn)行降溫，試驗(yàn)材料為?42mm×816mm的TC6棒料，試驗(yàn)刀具采用WNMG080404-HL硬質(zhì)合金涂層刀具，槽型HL，刀尖半徑為0.4mm。試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

試驗(yàn)方案采用單因素試驗(yàn)法，將切削工況、切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量4個(gè)參數(shù)作為試驗(yàn)變量，探究變量對(duì)TC6加工表面組織特征、微觀形貌及粗糙度的影響。試驗(yàn)前對(duì)TC6棒料外圓進(jìn)行均分標(biāo)記，標(biāo)記段長(zhǎng)度為100mm，分別在常溫干切削工況和–27℃低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑工況下按表1給定加工參數(shù)對(duì)TC6棒料外圓標(biāo)記段依次進(jìn)行車削加工。加工完成后用HYBRID＋激光顯微鏡對(duì)TC6棒料已加工表面進(jìn)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(mào)有限公司提供）。儀器為CW6163B臥式車床（安陽機(jī)床廠）、HYBRID＋激光顯微鏡（日本Lasertec株式會(huì)社）、CTL-40/1.5冷風(fēng)射流機(jī)（重慶成田低溫加工技術(shù)有限公司）。

2、結(jié)果與分析

2.1低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑對(duì)表面質(zhì)量的影響

常溫干切削和低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)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(duì)比圖2a和圖2c可明顯發(fā)現(xiàn)，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(shí)存在黏屑現(xiàn)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(dǎo)熱系數(shù)低，而干切削時(shí)切削熱快速累積，導(dǎo)致切削區(qū)溫度急劇升高，高溫可以使合金內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如晶粒長(zhǎng)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(fā)生局部咬焊現(xiàn)象，加速了刀尖積屑瘤的形成，鈍化了前刀面對(duì)材料的剪切力，加劇了刀具對(duì)材料的擠壓效應(yīng)，切屑從加工表面剝離時(shí)刀尖對(duì)材料表層的擠壓使材料表面嚴(yán)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(dǎo)致加工區(qū)存在纏屑和夾屑現(xiàn)象，易劃傷已加工表面。

在低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)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(qū)域會(huì)產(chǎn)生大量柱狀毛細(xì)管，當(dāng)其與空氣相連通時(shí)，霧狀切削液可以通過毛細(xì)管滲透到加工表面，在加工表面形成潤(rùn)滑油膜，減小刀具和工件間的摩擦因數(shù)從而減小切削力，降低切削熱的產(chǎn)生[19-20]，高壓冷風(fēng)射流對(duì)切削區(qū)的強(qiáng)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(qū)因熱量累積而導(dǎo)致的TC6材料熱物理變形，抑制了切削時(shí)材料塑性變形對(duì)刀具的黏結(jié)，加速了切屑的排出，減少了撕裂、劃痕、黏屑等缺陷產(chǎn)生[21]。

對(duì)比常溫干切削和低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑切削加工表面三維形貌，發(fā)現(xiàn)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(fā)生塑性變形，而切削刃兩端沒有來自側(cè)面的約束力，因此切削刃兩端已加工表面處材料被擠壓產(chǎn)生隆起，形成了沿切削運(yùn)動(dòng)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(fā)現(xiàn)，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(fēng)微量潤(rùn)滑工況下材料加工表面熱變形小。

常溫和低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)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(fēng)微量潤(rùn)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(fēng)微量潤(rùn)滑切削可以有效提高加工表面質(zhì)量。

2.2進(jìn)給量對(duì)表面質(zhì)量的影響

當(dāng)進(jìn)給量為0.22mm/r時(shí)，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(duì)比發(fā)現(xiàn)，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(zhuǎn)的進(jìn)給量，當(dāng)進(jìn)給量為0.14mm/r時(shí)刀紋凹槽較為緊湊，刀紋間距為142μm；當(dāng)進(jìn)給量為0.22mm/r時(shí)刀紋凹槽較寬，刀紋間距為216μm。在大進(jìn)給量下刀紋凹槽隆起較高，這是由于進(jìn)給量的增加會(huì)導(dǎo)致切削力呈非線性增加。當(dāng)進(jìn)給量加倍時(shí)，切削力會(huì)增加大約65%[22]，從而加速了切削熱的產(chǎn)生，提高了加工區(qū)溫度，加劇了材料加工表面塑性變形[23-24]。對(duì)比已加工表面輪廓曲線可發(fā)現(xiàn)增加進(jìn)給量會(huì)使表面輪廓曲線波動(dòng)幅度提高，當(dāng)進(jìn)給量為0.22mm/r時(shí)表面平均粗糙度值為3.00μm，與進(jìn)給量為0.14mm/r時(shí)相比增加了49%，說明進(jìn)給量的增加會(huì)顯著降低加工表面質(zhì)量。

2.3背吃刀量對(duì)表面質(zhì)量的影響

當(dāng)背吃刀量為2mm時(shí)，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(duì)比發(fā)現(xiàn)，背吃刀量的提高會(huì)導(dǎo)致材料表面產(chǎn)生大量側(cè)流和凹坑。這是由于增加背吃刀量會(huì)使切削刀具前刀面與材料接觸面積增大，導(dǎo)致切削區(qū)切削抗力與內(nèi)摩擦力增加，提高了切削力和切削熱，降低了材料的屈服強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度，增強(qiáng)了材料的塑性，致使切屑在未被完全切除時(shí)便從刀具刀尖兩側(cè)沿加工表面滑移出去，形成側(cè)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?yàn)榇蟊吵缘读織l件下產(chǎn)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(duì)比已加工表面輪廓曲線可知，當(dāng)背吃刀量為2mm時(shí)，表面粗糙度平均值為2.71μm，與背吃刀量為0.5mm時(shí)相比增加了43%，說明較大的背吃刀量會(huì)導(dǎo)致表面粗糙度增加。并且背吃刀量較大時(shí)粗糙度曲線波動(dòng)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(huì)導(dǎo)致切削力成比例的增大，因?yàn)楸吵缘读康脑黾又苯釉黾恿饲邢鲗拥捏w積，從而增加了切削力，所以當(dāng)背吃刀量加倍時(shí)，切削力也會(huì)大致加倍[26]。背吃刀量對(duì)切削力的影響比進(jìn)給量對(duì)切削力的影響要大，當(dāng)進(jìn)給量增加時(shí)，切削力的增加不如背吃刀量增加時(shí)顯著，因?yàn)檫M(jìn)給量的增加對(duì)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(huì)使切削力增大，致使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生較大振動(dòng)，易造成切削過程不穩(wěn)定[27]。

2.4切削速度對(duì)表面質(zhì)量的影響

當(dāng)切削速度為31.4m/min時(shí)，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(duì)比發(fā)現(xiàn)，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(jìn)而導(dǎo)致加工區(qū)溫度上升，造成工件表面產(chǎn)生黏屑、撕裂以及燒蝕等缺陷。在本試驗(yàn)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(dǎo)致切削力增加[28]。切削速度的提高還會(huì)引起切削溫度的升高，高溫會(huì)導(dǎo)致材料的塑性變形增加，進(jìn)而增加切削力。對(duì)比已加工表面輪廓曲線，發(fā)現(xiàn)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(dòng)幅度較大，這是由于大的切削速度使工藝系統(tǒng)不穩(wěn)定，致使刀具產(chǎn)生震顫，因此較小的切削速度會(huì)使加工材料表面質(zhì)量更好[29]。

3、結(jié)論

對(duì)TC6樣件進(jìn)行低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑車削試驗(yàn)，分析了切削環(huán)境和切削三要素對(duì)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(jié)論：

1）低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑切削技術(shù)的強(qiáng)冷卻作用及微量潤(rùn)滑作用可以有效降低切削熱對(duì)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(dǎo)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(qū)材料和刀具因內(nèi)摩擦加劇而導(dǎo)致的咬焊現(xiàn)象，減少了已加工表面缺陷，與常規(guī)加工相比，低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)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(zhì)量。

2）在切削三要素的影響規(guī)律研究過程中，當(dāng)進(jìn)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(dāng)背吃刀量從0.5mm增加到2mm時(shí)，加工表面粗糙度值增加了43%；進(jìn)給量對(duì)表面質(zhì)量影響最大，背吃刀量對(duì)表面質(zhì)量影響其次，切削速度的增加對(duì)表面質(zhì)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(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)，造成不穩(wěn)定切削現(xiàn)象。

3）將低溫冷風(fēng)微量潤(rùn)滑技術(shù)應(yīng)用在加工TC6材料過程中降低了切屑對(duì)刀具的磨損，延長(zhǎng)了刀具使用壽命。在加工中減少了切削液的使用與排放，實(shí)現(xiàn)了低能耗、低污染、低排放的目的，更契合低碳工業(yè)的理念。

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