低溫噴霧射流冷卻技術(shù)對(duì)TC4高速銑削加工性能的影響

吳雄彪

（金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江金華 321007）

低溫噴霧射流冷卻技術(shù)對(duì)TC4高速銑削加工性能的影響

吳雄彪

（金華職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江金華 321007）

為了有效降低切削區(qū)溫度，提高TC4的高速切削加工性，采用低溫噴霧射流冷卻技術(shù)，對(duì)TC4高速銑削加工性能進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明：相對(duì)于低溫冷風(fēng)和MQL，低溫噴霧射流冷卻具有更強(qiáng)的導(dǎo)熱冷卻作用，能有效地降低切削溫度、減少刀具磨損、減小加工表面粗糙度值，改善切削加工性。由于用水作為噴霧冷卻介質(zhì)，無(wú)毒害作用，是一種綠色制造技術(shù)，具有良好的發(fā)展前景。

低溫噴霧射流 冷卻技術(shù) 高速銑削 加工性

TC4因具有比強(qiáng)度高、熱強(qiáng)度好、耐腐蝕以及熱導(dǎo)率低等優(yōu)點(diǎn)，在航空、航天及化學(xué)工業(yè)等部門中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛［1］。然而，TC4是一種難加工材料，具有較差的切削加工性能，主要是切削中因?qū)岵粫持率骨邢鲄^(qū)溫升過(guò)高，造成工具失效、工件報(bào)廢。傳統(tǒng)切削時(shí)通常采用極低的切削速度，生產(chǎn)效率非常低［2］。隨著數(shù)控加工的普及化，為了能夠提高加工表面質(zhì)量，高速切削工藝的應(yīng)用日益廣泛。因此，在高速加工中如何控制切削區(qū)溫度成為提高加工質(zhì)量、改善加工性能的重要工藝因素。

1 低溫噴霧射流冷卻原理

1.1 冷卻方式的選擇

在高速切削難加工材料時(shí)，切削區(qū)產(chǎn)生很高的切削溫度會(huì)使刀具急劇磨損。如何有效降低切削溫度，抑制刀具磨損，成為進(jìn)一步提高難加工材料加工效率的主要工藝途徑。冷卻是通過(guò)介質(zhì)將切削區(qū)熱量導(dǎo)出，有效降低切削溫度的手段?，F(xiàn)階段生產(chǎn)中使用的冷卻技術(shù)主要有四大類：

一是切削液。它使用較為普遍，主要起冷卻、潤(rùn)滑、清潔、排屑及防銹作用。主要是常態(tài)澆注和高壓噴射。為了有效降低切削溫度，提高刀具耐用度，在高速切削難加工材料時(shí)，往往還會(huì)加大澆注流量和加入極壓添加劑等［3］，其中多含有毒、有害物質(zhì)，甚至致癌物質(zhì)，對(duì)人體健康危害和環(huán)境污染很大，這已不符合綠色切削的趨勢(shì)。

二是低溫干切削。預(yù)先將工件在低溫下冷卻后加工，切削點(diǎn)始終處于穩(wěn)定的低溫狀態(tài)，冰冷的切屑帶走大部分切削熱，可以有效地保持刀具鋒利。但是受工件材料性能影響，會(huì)造成加工尺寸的誤差，而大型工件冷卻難度大，也不適用。

三是液態(tài)介質(zhì)冷卻。主要是液氮冷卻和水射流冷卻。液氮通過(guò)直接噴射和間接蒸發(fā)循環(huán)冷卻的方式，冷卻效果好，成本低，無(wú)污染。但是由于冷卻溫度低，加工誤差大，又加上在噴射中存在的多個(gè)技術(shù)難題限制了進(jìn)一步使用［4］。

四是氣態(tài)介質(zhì)冷卻技術(shù)，主要是微量潤(rùn)滑（MQL）技術(shù)和低溫冷風(fēng)技術(shù)。MQL技術(shù)是將壓縮空氣與少量潤(rùn)滑油混合汽化后，再噴射到加工部位，從而使刀－屑接觸區(qū)得到冷卻和潤(rùn)滑，起到降低切削溫度、減少刀具磨損、減小表面粗糙度值和提高加工效率的作用。但是微量如何界定在實(shí)際操作中較難把握。低溫冷風(fēng)技術(shù)是將空氣經(jīng)制冷設(shè)備降為－30～－50℃左右的低溫冷空氣，直接噴向加工區(qū)，對(duì)刀具和工件同時(shí)冷卻，冷卻效果好，可以穩(wěn)定加工質(zhì)量，延長(zhǎng)刀具耐用度；但是氣體介質(zhì)的動(dòng)能小，在流向切削區(qū)域受到阻礙而改變方向造成冷卻不均，而且潤(rùn)滑較差，刀具和工件之間的摩擦力增大，降低冷卻效果。

在分析上述四種冷卻技術(shù)彼此的優(yōu)劣過(guò)程中，提出一種新型的冷卻方式，低溫噴霧射流冷卻，將MQL中的潤(rùn)滑油改為水，以避免污染。

1.2 低溫噴霧射流冷卻系統(tǒng)

如圖1所示為一套低溫噴霧射流冷卻系統(tǒng)的示意圖。它主要由空氣壓縮機(jī)、儲(chǔ)氣罐、低溫冷風(fēng)發(fā)生裝置、水箱以及霧化噴嘴組成。從空氣壓縮機(jī)出來(lái)的壓縮空氣首先儲(chǔ)存在儲(chǔ)氣罐中，以獲得穩(wěn)定的氣源，壓縮空氣經(jīng)過(guò)過(guò)濾器和干燥器去除其中的雜質(zhì)和水分后進(jìn)入冷卻裝置，經(jīng)過(guò)熱交換后產(chǎn)生具有一定壓力的低溫氣流，低溫氣流與從水箱壓出的水流匯聚于霧化噴嘴產(chǎn)生低溫噴霧射流。

該系統(tǒng)的核心是憑藉低溫噴霧射流沖擊集低溫氣、液兩相強(qiáng)對(duì)流、射流沖擊和充分汽化三重強(qiáng)化的換熱優(yōu)勢(shì)，通過(guò)低溫氣流運(yùn)載少量低溫冷卻液（0℃水）并以噴霧射流沖擊的形式到達(dá)加工區(qū)，充分發(fā)揮冷卻介質(zhì)的強(qiáng)化換熱效果。這一冷卻系統(tǒng)集低溫、射流沖擊、充分汽化及使用了空氣和水介質(zhì)，是高效、低耗、清潔、環(huán)保的綠色制造技術(shù)。

2 試驗(yàn)條件與參數(shù)選擇

2.1 試驗(yàn)條件

本次試驗(yàn)是對(duì)高速銑削鈦合金時(shí)的銑削溫度、刀具磨損和工件的表面粗糙度進(jìn)行對(duì)比研究。

機(jī)床設(shè)備：Mikron UCP710五坐標(biāo)高速加工中心。

切削刀具：φ25 mmWalter鑲塊式硬質(zhì)合金銑刀，前角、螺旋角30°。試驗(yàn)過(guò)程中只安裝一個(gè)刀齒，進(jìn)行單齒切削。

試驗(yàn)材料：TC4 鈦合金（Ti－6Al－4V）。

銑削方式與切削參數(shù)：順銑，銑削速度v=100～350 m/min，進(jìn)給量：f=0.1 mm/齒，切削深度：af=5 mm，ap=2 mm。

冷卻方式與參數(shù)：冷卻方式為低溫冷風(fēng)射流，MQL和低溫噴霧射流冷卻。低溫冷風(fēng)射流為流量300 L/min，溫度－20℃的低溫氣體射流，射流靶距20 mm；MQL為流量100 mL/h的油霧；低溫噴霧射流選用6 mm 噴口，氣壓 0.5 MPa、水壓 0.4 MPa 的工況，噴霧介質(zhì)選用冰水混合物，射流靶距20 mm。

2.2 測(cè)量裝置與方法

為了能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)到銑削溫度變化，試驗(yàn)中采用分塊試件半人工夾絲熱電偶測(cè)量方法，測(cè)溫系統(tǒng)示意圖如圖2所示。信號(hào)直接由HP3562信號(hào)分析儀捕捉記錄。測(cè)量時(shí)，以直徑為φ0.21 mm的康銅絲為一極，工件為另一極，同時(shí)保證工件、康銅絲與機(jī)床三者相互絕緣。當(dāng)銑刀切至中間的康銅絲時(shí)，會(huì)使康銅絲焊接在鈦合金上形成閉合回路，康銅絲與試樣的接觸點(diǎn)就形成了熱電偶的熱端。通過(guò)測(cè)量熱電偶的熱電勢(shì)而間接得到切削鈦合金時(shí)的切削溫度。對(duì)于TC4與康銅絲組成的非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶，可根據(jù)TC4和康銅的標(biāo)準(zhǔn)熱電偶標(biāo)定曲線換算出刀尖和工件加工表面平均溫度。

刀具磨損測(cè)量系統(tǒng)是由數(shù)碼相機(jī)、工具顯微鏡及刀具磨損測(cè)量軟件組成。在相同切削行程的情況下測(cè)量后刀面磨損量。

工件表面粗糙度的測(cè)量選用Pert hometerM2型表面粗糙度測(cè)量?jī)x。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.3.1 不同冷卻條件下的銑削溫度對(duì)比

根據(jù)半人工夾絲熱電偶方法，測(cè)量高速銑削溫度。圖3給出了在不同切削速度條件下不同冷卻方式對(duì)切削刃和工件表面溫度的影響曲線。從圖3可以看出：采用低溫噴霧射流冷卻方式對(duì)銑削加工區(qū)域具有明顯的降溫效果，即使在切削速度達(dá)到300 m/min時(shí)，工件加工表面溫度依然遠(yuǎn)遠(yuǎn)控制在100℃以內(nèi)，刀尖的溫度也控制在250℃以內(nèi)。

2.3.2 不同冷卻方式下刀具磨損對(duì)比

刀具磨損試驗(yàn)均是在相同的切削長(zhǎng)度（3 m）條件下獲得的，圖4為不同冷卻方式下后刀面磨損隨切削速度變化曲線。從圖4中可以看出：切削速度是影響后刀面磨損的重要因素。在任何一種冷卻方式下，后刀面磨損隨著切削速度的提高而增大。但是，在相同的切削速度條件下，采用低溫噴霧射流冷卻方式的后刀面磨損都低于其他兩種冷卻方式，尤其是在較高的切削速度條件下效果更為明顯。

低溫冷風(fēng)射流冷卻時(shí)刀具磨損最為嚴(yán)重，磨損帶寬度差異較大，而低溫噴霧射流冷卻時(shí)刀具磨損最輕。

2.3.3 不同冷卻方式下工件加工表面粗糙度對(duì)比

圖5為不同冷卻方式下工件加工表面粗糙度隨切削速度不同的變化曲線。從圖5中可以看出：工件加工表面粗糙度值隨銑削速度的提高均有不同程度的減小，當(dāng)切削速度高于200 m/min時(shí)，表面粗糙度值減小趨勢(shì)有所減緩，基本維持在0.25～0.2 m范圍內(nèi)，這是由于隨著銑削速度的提高，工件材料的塑性變形減小的緣故。從三種冷卻方式條件下的工件加工表面粗糙度對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，采用MQL時(shí)，由于潤(rùn)滑性能較好，表面粗糙度值也最小，但低溫噴霧射流同樣可以使工件加工表面維持較小的表面粗糙度值。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同冷卻方式下銑削溫度、刀具磨損及工件加工表面粗糙度等方面的對(duì)比試驗(yàn)可以看出：

（1）采用低溫噴霧射流冷卻方式可以有效地降低銑削溫度，包括刀具溫度和工件加工表面溫度；同時(shí)也是由于這種冷卻方式的冷卻和潤(rùn)滑作用，降低了切削區(qū)溫度，使得刀具磨損減小，提高了刀具壽命，工件的加工表面質(zhì)量也獲得了一定的提高。

（2）低溫噴霧射流冷卻方式以水作為冷卻介質(zhì)，對(duì)加工區(qū)進(jìn)行沖擊冷卻，不僅使換熱效果獲得了大幅度提高，而且對(duì)環(huán)境無(wú)污染。它可以有效解決難加工材料加工中現(xiàn)有冷卻技術(shù)因未能充分發(fā)揮冷卻介質(zhì)的換熱潛力而無(wú)法達(dá)到其最佳換熱效果的難題以及在保證清潔化生產(chǎn)的前提下大幅度提高材料去除率的問(wèn)題，因此該項(xiàng)技術(shù)可望完善成為一項(xiàng)可以用于難加工材料高效加工的綠色制造新工藝。

（3）低溫噴霧射流冷卻方式由低溫氣流與0℃水混合霧化而成的，在實(shí)際加工中，水的腐蝕作用對(duì)機(jī)床和工件造成損壞尚有待于研究。

［1］耿國(guó)盛，徐九華，傅玉燦，等.高速銑削近α鈦合金的切削溫度研究［J］.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2006，25（7）：329 －332.

［2］安慶龍，傅玉燦，徐九華，等.低溫氣動(dòng)噴霧射流沖擊冷卻技術(shù)在鈦合金磨削中的應(yīng)用［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2006，17（11）：1117 －1120.

［3］何寧，李亮，趙威，等.難加工材料高性能加工的冷卻潤(rùn)滑技術(shù)［J］.航空制造技術(shù)，2007（7）：46 －48.

［4］韓榮第，張悅.采用氣體射流冷卻潤(rùn)滑綠色切削技術(shù)的研究進(jìn)展［J］.工具技術(shù)，2006，40（1）：6.

作者：吳雄彪，男，1965年生，副教授，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械制造工藝/機(jī)電一體化。

（編輯 孫德茂）

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Affection of Low-temperature Spray Jet Cooling Technology on TC4 High-speed Milling Performance

WU Xiongbiao
（Jinhua College of Vacation and Technology，Jinhua 321007，CHN）

2010－02－18）

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