低溫冷風(fēng)對(duì)材料切削性能影響的試驗(yàn)與分析

彭海，李濤

(西安石油大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安 710065)

在傳統(tǒng)的金屬切削加工中，由于切削液的大量使用，極易對(duì)環(huán)境和人體造成傷害，同時(shí)增大了加工成本。這一方面造成了資源和能源的巨大浪費(fèi)(據(jù)統(tǒng)計(jì)，在集中冷卻加工系統(tǒng)中，冷卻液占總成本的14%～16%，刀具成本只占2%～4%)［1］。在綠色制造的基礎(chǔ)上，采用低溫冷風(fēng)技術(shù)來(lái)完成切削時(shí)的冷卻、潤(rùn)滑，同時(shí)利用高壓空氣來(lái)完成排屑［2］。該項(xiàng)技術(shù)可以減少切削液的使用量以及對(duì)環(huán)境造成的污染，具有節(jié)能減排的效果，符合當(dāng)今制造業(yè)綠色化、高效化的要求，同時(shí)可以降低生產(chǎn)成本，增加企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

1 低溫冷風(fēng)加工機(jī)制分析

低溫冷風(fēng)切削是將－20～－40℃的低溫氣流混合微量的植物性潤(rùn)滑劑(10～20 mL/h)噴射到切削加工區(qū)域，從而起到冷卻、潤(rùn)滑和排屑的目的，是一種新型綠色加工技術(shù)。它實(shí)際是低溫切削技術(shù)和MQL(微量潤(rùn)滑)切削技術(shù)的結(jié)合，具備了低溫切削和MQL切削各自的優(yōu)點(diǎn)，可以顯著降低切削刀具及工件的溫度，有效抑制刀具磨損，提高刀具的耐用度，改善零件的表面加工質(zhì)量和加工精度［3］。

低溫冷風(fēng)切削是冷風(fēng)以射流方式強(qiáng)烈沖刷切削區(qū)的一種加工方法，由日本的橫川和彥教授最早提出［4］。低溫冷風(fēng)切削工件時(shí)，材料會(huì)在低溫條件下產(chǎn)生低溫脆性，使材料的塑性降低，從而降低刀具與材料之間的摩擦力，進(jìn)而產(chǎn)生的切削力會(huì)大大降低［5］。此外低溫冷風(fēng)中混合霧化的切削液高速?lài)娚涞角邢鲄^(qū)，具有較強(qiáng)的換熱能力，冷卻效果很好，同時(shí)噴霧射流產(chǎn)生的微小顆粒具有極強(qiáng)的滲透和吸附能力，滲透至切削區(qū)后形成潤(rùn)滑薄膜［6］，可以改善切屑與刀具前刀面的潤(rùn)滑條件，緩解摩擦，抑制切削熱的產(chǎn)生，進(jìn)一步改善刀具磨損狀況，提高刀具的使用壽命。刀具冷卻潤(rùn)滑條件的改善會(huì)使刀具發(fā)生粘結(jié)的可能性大為降低，從而在較大程度上抑制了積屑瘤和鱗刺的出現(xiàn)，降低工件表面的粗糙度，使切削質(zhì)量得到改善［7］。

2 低溫冷風(fēng)對(duì)材料切削性能影響的試驗(yàn)與分析

2.1 低溫冷風(fēng)車(chē)削試驗(yàn)條件

此次進(jìn)行的低溫冷風(fēng)車(chē)削試驗(yàn)，采用重慶成田低溫加工技術(shù)有限公司生產(chǎn)的CTL-40/1.5型冷風(fēng)射流機(jī)，出口溫度可達(dá)到－40℃，如圖1所示。試驗(yàn)中采用不同切削方式分別車(chē)削45鋼、不銹鋼和鈦合金等不同金屬材料，分別從切削力、刀具磨損、工件的表面質(zhì)量等方面進(jìn)行對(duì)比分析。刀片選用硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位機(jī)夾刀片，考慮工件材料的特點(diǎn)，切削鈦合金與不銹鋼金選用YG8刀片，而45鋼用YT15刀片。整個(gè)試驗(yàn)均在CK6150數(shù)控車(chē)床上進(jìn)行，車(chē)削試驗(yàn)過(guò)程如圖2所示。

圖1 低溫冷風(fēng)射流機(jī)

(1)試驗(yàn)時(shí)選取精加工切削參數(shù):n=500 r/min，f=0.05 mm/r，ap=0.5 mm。

(2)采用澆注式、低溫冷風(fēng)和干式切削3種方式分別車(chē)削45鋼、不銹鋼和鈦合金(TC4)，利用車(chē)削測(cè)力儀及測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試加工過(guò)程中所產(chǎn)生的切削力。

(3)使用工具顯微鏡及光切顯微鏡分別觀察并測(cè)量上述加工后刀具后刀面磨損值及工件表面粗糙度值。

2.2 低溫冷風(fēng)對(duì)切削力的影響

按照實(shí)驗(yàn)安排測(cè)得的低溫冷風(fēng)、澆注式和干式切削時(shí)所受到的主切削力Fc如圖3所示。

圖3 不同加工方式下3種材料主切削力Fc對(duì)比圖

3種材料從主切削力Fc對(duì)比來(lái)看，低溫冷風(fēng)切削和澆注式切削時(shí)的切削力要小于干切削，這可以從切削溫度方面進(jìn)行解釋。如前面所述，低溫冷風(fēng)切削時(shí)工件的溫度較低，材料會(huì)產(chǎn)生低溫脆性，且冷風(fēng)之中混合霧化的切削液具有較強(qiáng)的換熱能力，其冷卻效果最好，在切削加工中可以獲得較低的溫度，減少刀具的磨損，因而采用低溫冷風(fēng)切削時(shí)會(huì)獲得較小的主切削力［8］。

2.3 低溫冷風(fēng)對(duì)刀具磨損的影響

采用低溫冷風(fēng)式和澆注切削液式的方法切削不銹鋼和鈦合金兩種材料，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比來(lái)分析低溫冷風(fēng)對(duì)刀具磨損的影響。經(jīng)測(cè)量刀具后刀面磨損VB值如表1所示，同時(shí)在工具顯微鏡下觀察兩種加工方式下刀具的磨損情況分別如圖4和圖5所示。

表1 刀具后刀面磨損值mm

圖4 切削不銹鋼時(shí)后刀面磨損圖

圖5 切削鈦合金時(shí)后刀面磨損圖

從圖中可以看出:幾把刀具的磨損都比較均勻，由于鈦合金彈性模量小、散熱性差，其加工難度要大于不銹鋼［9］，所以其刀具的磨損也較嚴(yán)重。同時(shí)還可以看出:加工鈦合金的刀片有明顯的磨損溝，但兩種材料在低溫冷風(fēng)條件下的刀具磨損情況明顯優(yōu)于使用澆注式切削。由于刀尖處散熱條件差，溫度較高，所以磨損差別尤其體現(xiàn)在刀尖部位，可以看出加載低溫冷風(fēng)時(shí)刀具磨損量明顯比較小，說(shuō)明低溫切削時(shí)能夠起到很好的冷卻潤(rùn)滑作用。實(shí)驗(yàn)研究表明:低溫冷風(fēng)可以顯著均勻地降低加工區(qū)、刀具及工件的溫度，有效地抑制刀具磨損，提高刀具的耐用度［10］。

2.4 低溫冷風(fēng)對(duì)工件表面加工質(zhì)量的影響

分別以傳統(tǒng)澆注式和低溫冷風(fēng)式切削3種不同材料，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果分析低溫冷風(fēng)對(duì)工件表面粗糙度的影響。在光切顯微鏡下測(cè)得的工件表面粗糙度如表2所示，圖6所示為工具顯微鏡所測(cè)的不同材料的加工表面質(zhì)量。

表2 工件表面粗糙度值μm

圖6 兩種加工方式下工件表面質(zhì)量對(duì)比圖

從表中可以看出:使用低溫冷風(fēng)切削3種不同材料得到的工件表面粗糙度始終要比使用澆注式切削得到的要小。同時(shí)從表面質(zhì)量對(duì)比圖中也能看出低溫冷風(fēng)切削具有較好的加工效果。

因?yàn)榉e屑瘤和鱗刺產(chǎn)生的前提條件是切屑底層金屬與刀具前刀面發(fā)生粘結(jié)，低溫冷風(fēng)冷卻了刀具、工件和切屑，使刀具、加工表面和切屑塑性降低，硬度?提高，發(fā)生粘結(jié)的可能性大為降低，從而在較大程度上抑制了積屑瘤和鱗刺的出現(xiàn)，使粗糙度得到很好的改善［11］。此外低溫冷風(fēng)加工能夠提高加工表面質(zhì)量還在于刀具的冷卻潤(rùn)滑性好，刀具與工件的摩擦力降低，降低了刀具的磨損，同時(shí)也能降低切削過(guò)程中的振動(dòng)，從而提高了表面質(zhì)量。

3 總結(jié)

將低溫冷風(fēng)應(yīng)用于車(chē)削加工中，并與其他兩種加工方式進(jìn)行了對(duì)比研究與分析，對(duì)低溫冷風(fēng)對(duì)材料切削性能的影響進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論:

(1)利用材料的低溫脆性，在低溫介質(zhì)的作用下切削可以達(dá)到改善難加工材料的切削性能、提高刀具的耐用度、提高已加工表面質(zhì)量的目的;

(2)低溫冷風(fēng)切削時(shí)切削力要比傳統(tǒng)的干式切削和澆注式切削的切削力都小，但是其效果因每種材料而有所不同;

(3)低溫冷風(fēng)具有良好的冷卻和潤(rùn)滑效果，能夠降低切削過(guò)程中刀具的磨損，延長(zhǎng)刀具的使用壽命;低溫冷風(fēng)切削可以降低已加工表面粗糙度，提高工件表面加工質(zhì)量。

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［3］趙洪兵，彭海．亞干式深孔鉆削系統(tǒng)性能的試驗(yàn)研究［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(12):138－140．

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