納米磁性切削液下Ti6Al4V 銑削機(jī)理及試驗(yàn)研究*

王靈玲 陳宇曉 王正才 陳善飛

(①寧波職業(yè)技術(shù)學(xué)院海天學(xué)院，浙江 寧波315800;②浙江萬(wàn)里學(xué)院應(yīng)用物理研究所，浙江 寧波315101)

鈦合金Ti6A14V 具有高比強(qiáng)度、良好的機(jī)械性能和抗蝕性，因此廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域。但是其切削性能差:鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)只相當(dāng)于45 鋼的1/5～1/7，切削時(shí)產(chǎn)生的熱不易傳出，集中在切削區(qū)的較小范圍內(nèi)，溫度很高;由于鈦的化學(xué)活性大，在切削高溫下，極易吸收空氣中的氧、氮等元素形成硬脆外皮，出現(xiàn)冷硬現(xiàn)象，同時(shí)切削中的塑性變形也會(huì)造成表面硬化，加劇刀具的溝槽磨損。為此，許多文獻(xiàn)提出了采用氮?dú)饨橘|(zhì)、空氣油霧介質(zhì)、氮?dú)庥挽F介質(zhì)、低溫氮?dú)馍淞?、微量?rùn)滑、過熱水蒸氣等冷卻/潤(rùn)滑方式［1-3］。但對(duì)于鈦合金等難加工材料的高效切削加工技術(shù)與理論研究和推廣應(yīng)用中還存在許多問題。鈦合金高效切削是當(dāng)今航空航天制造業(yè)中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)［4］。

本文提出一種新的Ti6Al4V 加工冷卻潤(rùn)滑介質(zhì):納米磁性切削液。通過實(shí)驗(yàn)研究在一般切削液和納米磁性切削液不同冷卻潤(rùn)滑條件下的鈦合金加工刀具—工件切削特性，對(duì)提高鈦合金的加工效率與質(zhì)量具有一定意義。

1 Ti6Al4V 銑削的加工機(jī)理

1.1 一般切削液下Ti6Al4V 加工刀具失效機(jī)理

初期由于切削液的冷卻潤(rùn)滑作用，刀具前、后刀面溫度較低，刀具磨損較慢。但加工時(shí)前刀面與切屑、后刀面與工件之間由于緊密接觸，切削液很難進(jìn)入該區(qū)域來(lái)降低溫度，鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)又非常小，造成刀具與鈦合金的接觸區(qū)域溫度很高。然而，接觸區(qū)周圍由于切削液的冷卻作用，溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于接觸區(qū)域，產(chǎn)生了很大的溫度梯度，使刀具產(chǎn)生熱應(yīng)力，形成較大的熱沖擊。熱沖擊反復(fù)作用下刀具極易發(fā)生微裂紋［5］。

1.2 納米磁性切削液下Ti6Al4V 的加工機(jī)理

磁性液體是含有3 個(gè)組分的膠體系統(tǒng):一個(gè)固相(即磁性微粒)和兩個(gè)液相(即基液及表面活性劑)。固體部分的熱導(dǎo)作用比液相組分大一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且在磁場(chǎng)中磁性納米顆粒易形成鏈狀簇，為熱傳導(dǎo)提供了通路。所以磁性液體具有很好的熱導(dǎo)性，摩擦副產(chǎn)生的熱量可以很快傳出。同時(shí)，磁性微粒能明顯提高基礎(chǔ)油的減摩抗磨性能已被很多摩擦試驗(yàn)所驗(yàn)證［6-10］。

在外磁場(chǎng)作用下，磁性微粒受到使其磁矩與外磁場(chǎng)方向一致的力矩。任何使它們偏離外磁場(chǎng)方向的傾向，都要做克服磁場(chǎng)作用的功。因此，外磁場(chǎng)的存在必定對(duì)磁性流體的粘性產(chǎn)生影響。磁場(chǎng)存在時(shí)的磁性流體粘度ηs為［11］:

式中:m1、m2分別為液體分子、單個(gè)磁性微粒質(zhì)量;n1、n2分別為單位體積內(nèi)液體分子、磁性微粒數(shù)量;a為液體分子的平均直徑;b 為磁性微粒平均直徑;τ為磁性微粒連續(xù)碰撞的平均時(shí)間;M 為每個(gè)磁性微粒的磁矩;H 為磁感應(yīng)強(qiáng)度;C1為液體分子運(yùn)動(dòng)平均速度;C2為磁性微粒的平均速度;x、y 和z 是空間3個(gè)坐標(biāo)值。

分析公式(1)、(2)得出，當(dāng)磁場(chǎng)梯度存在的時(shí)候，磁性流體的粘度會(huì)發(fā)生變化。δ 依賴于磁場(chǎng)梯度，從δ的計(jì)算方程可以看出，磁場(chǎng)梯度是空間坐標(biāo)x、y 和z的函數(shù)，即磁性流體的粘度在空間每一點(diǎn)上均會(huì)發(fā)生變化。

由上所述，為解決一般切削液很難進(jìn)入刀具與工件緊密接觸處這個(gè)問題，可以設(shè)計(jì)合理的外界梯度磁場(chǎng)。在其作用下，后刀面與工件之間等切削部位的納米磁性流體粘度增加，從而改善切削部位的冷卻和潤(rùn)滑效果。如圖1 所示，在Ti6Al4V 切削過程中，由于外界梯度磁場(chǎng)的作用，納米磁性切削液進(jìn)入切削部位，又被刀具、碎屑帶走或甩出，新的納米磁性液又源源不斷地進(jìn)入切削部位，在金屬新生表面形成邊界膜，使刀具與工件之間的緊密接觸處始終有液體潤(rùn)滑。

1.3 納米磁性切削液引導(dǎo)裝置的設(shè)計(jì)

兩個(gè)軸向磁化的永磁環(huán)一定間距平行放置產(chǎn)生軸向梯度磁場(chǎng)［12］，大量磁性顆粒在其作用下聚集于兩個(gè)永磁環(huán)之間，此處磁性液體的粘度增加。由此設(shè)計(jì)了納米磁性切削液引導(dǎo)裝置:每個(gè)永磁環(huán)的長(zhǎng)度為30 mm，內(nèi)外半徑分別為6 mm、20 mm，兩永磁環(huán)間隔距離為11 mm。為收攏磁環(huán)端部磁力線，每一個(gè)磁環(huán)的兩端分別加上了一個(gè)內(nèi)外半徑為6 mm 和20 mm，厚度為5 mm 的鐵環(huán)，如圖2 所示。永磁環(huán)采用釹鐵硼NdFeB，牌號(hào)為30AH，Br= 1. 11T，可移動(dòng)底座和支架采用鋁2A11。

只要將加工工件置于本裝置上方，調(diào)整可移動(dòng)底座的位置，使梯度磁場(chǎng)增加加工部位的磁性液體粘度，即達(dá)到引流納米磁性微粒到達(dá)切削部位的目的。

2 納米磁性液切削試驗(yàn)研究

通過以上加工機(jī)理的分析，鈦合金加工在納米磁性切削液及梯度磁場(chǎng)的作用下，能降低刀具與工件之間的摩擦。為驗(yàn)證以上觀點(diǎn)，開展了切削試驗(yàn)研究。切削力檢測(cè)技術(shù)、聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)等都可以用來(lái)研究摩擦情況，其中電流法具有信息集成度高，信息獲取方便等特點(diǎn)［13］。本文采用電流法監(jiān)測(cè)銑削力，并結(jié)合傅里葉變換的信號(hào)處理方法，從含有各種噪聲信號(hào)的工作電流中提取出切削力特征，對(duì)刀具與工件之間的摩擦情況進(jìn)行分析。

2.1 實(shí)驗(yàn)

為考察不同切削液對(duì)切削力的影響，在其他加工條件不變的情況下，分別對(duì)采用32 號(hào)切削油、無(wú)外加磁場(chǎng)的納米磁性切削液和施加梯度磁場(chǎng)下的納米磁性切削液3 種不同情況下的電流信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。采用如圖3 所示實(shí)驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)，使用HFR -EKA 霍爾電流傳感器采集銑床主軸電機(jī)的電流信號(hào)，采樣頻率為50000 Hz，并將信號(hào)輸?shù)绞静ㄆ鳎静ㄆ餍吞?hào)為Tektronix DPO 4034B。

將親油性Fe3O4納米磁顆粒與機(jī)械油按比例混合，放入電動(dòng)勻漿機(jī)中，轉(zhuǎn)速設(shè)為20000 r/min，攪拌30 min 后倒入離心管，放入離心機(jī)，以4000 r/min 的轉(zhuǎn)速離心處理，濾除沉降物就得到穩(wěn)定的納米磁性切削液，測(cè)得密度為1.1×103kg/m3，常溫下黏度為0.014 Pa·s。

如圖4 所示，切削在數(shù)控?fù)u臂銑床上完成，型號(hào)為XK6325B，主軸電動(dòng)機(jī)為變極多速三相異步電動(dòng)機(jī)，頻率為50 Hz。采用φ10 mm 的TIALN 涂層硬質(zhì)合金刀，切削試樣為Ti6Al4V。切削參數(shù)為轉(zhuǎn)速3000 r/min，進(jìn)給量1500 mm/min，背吃刀量1 mm。

2.2 傅里葉變換

傅里葉(Fourier)變換的信號(hào)頻域在傳統(tǒng)的平穩(wěn)信號(hào)分析和處理中發(fā)揮了極其重要的作用，它揭示了時(shí)間函數(shù)和頻譜函數(shù)間的內(nèi)在聯(lián)系［13］。

設(shè)f(x)是以2π 為周期的函數(shù)，且f(x)∈L2(-π，π)，那么是L2(-π，π)的標(biāo)準(zhǔn)正交化基，則f(x)可展開為:

另外，傅里葉變換是傅里葉級(jí)數(shù)在連續(xù)情況下的推廣，因?yàn)楦道锶~級(jí)數(shù)將信號(hào)分解為離散譜上函數(shù)的疊加，在對(duì)頻率變化敏感的某些應(yīng)用中離散的頻率信息線顯得較為粗糙。

函數(shù)f(x)∈L1(R)的逆傅里葉變換定義為:

F(ω)的逆傅里葉變換定義為:

傅里葉變換作為一種整體變換，對(duì)信號(hào)的表征或是完全在頻域內(nèi)，或是完全在時(shí)域內(nèi)。t 與ω 是兩個(gè)相互排斥的變量。當(dāng)采用傅里葉變換分析信號(hào)的頻域特性時(shí)，具有最佳的頻率分辨率。

2.3 不同切削液下的主軸電動(dòng)機(jī)電流信號(hào)分析

對(duì)照實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了10 組，對(duì)采集到的電流信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換，發(fā)現(xiàn)在50 Hz 倍頻諧波分量的幅值較明顯。從幅值大小來(lái)看，32 號(hào)切削油比納米磁性切削液普遍較高。圖5 所示為一組對(duì)照實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)編號(hào)相同的3 種切削液條件下的傅里葉圖譜。不同切削液必然會(huì)對(duì)各諧波分量產(chǎn)生影響，觀察圖5 中50 Hz 倍頻諧波分量的幅值，可以看出32 號(hào)切削油普遍比納米磁性切削液高。從50 Hz 處的幅值來(lái)看，32 號(hào)切削油最大，無(wú)梯度磁場(chǎng)的納米磁性切削液次之，梯度磁場(chǎng)下的納米磁性切削液最小。

當(dāng)切削力發(fā)生變化時(shí)，必然會(huì)使電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩發(fā)生變化，驅(qū)動(dòng)力矩和輸入電動(dòng)機(jī)電流成比例關(guān)系。電流大小會(huì)直接影響傅里葉變換的諧波分量幅值，且幅值越大電流就越大［14］。由此，我們可以根據(jù)電流信號(hào)傅里葉變換的諧波分量幅值大小來(lái)觀察機(jī)床刀具切削力的變化情況。

表1 為10 組實(shí)驗(yàn)中一組50 Hz 處傅里葉變換的諧波分量幅值的對(duì)照數(shù)據(jù)，圖6 為對(duì)應(yīng)的折線圖，可以看出采用納米磁性切削液的幅值總體較32 號(hào)切削油低，而且標(biāo)準(zhǔn)差也較低。說(shuō)明采用納米磁性切削液，主軸電動(dòng)機(jī)電流較小，其變化離散性也較小，電流穩(wěn)定。由此，可以推斷使用納米磁性切削液時(shí)，刀具與工件之間的銑削力較小，而且較穩(wěn)定。

表1 不同條件下50 Hz 處的幅值

分析同樣使用納米磁性切削液，在沒有外磁場(chǎng)作用和施加梯度磁場(chǎng)兩種情況下的潤(rùn)滑效果。從圖6 可以看出沒有外磁場(chǎng)作用時(shí)，切削初期由于納米磁性切削液充分接觸切削加工部位，潤(rùn)滑效果明顯。但是，在實(shí)驗(yàn)編號(hào)為5 到8 之間，其電流信號(hào)傅里葉變換的諧波分量幅值比32 號(hào)切削油的還要大，說(shuō)明加工時(shí)，當(dāng)磁性微粒不能大量有效地到達(dá)切削部位，潤(rùn)滑效果下降。施加梯度磁場(chǎng)時(shí)，圖6 顯示其幅值持續(xù)較低，說(shuō)明能使其潤(rùn)滑效果持續(xù)穩(wěn)定。

3 結(jié)語(yǔ)

Ti6Al4V 銑削加工中，由于納米磁性切削液在外加的梯度磁場(chǎng)作用下，運(yùn)動(dòng)的磁性微粒能持續(xù)地被引入到后刀面與工件之間非常狹小的縫隙空間，所以能夠明顯改善Ti6Al4V 切削部位的冷卻、潤(rùn)滑效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在梯度磁場(chǎng)作用下使用納米磁性切削液時(shí)，刀具與工件之間的銑削力較小，而且波動(dòng)也小，比沒有外界梯度磁場(chǎng)作用的潤(rùn)滑效果明顯且穩(wěn)定。

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