冷風(fēng)油霧潤(rùn)滑對(duì)TC4銑削過程刀－屑摩擦的影響

王寧昌，程鑫，姜峰，謝鴻

（1.華僑大學(xué) 制造工程研究院，福建 廈門361021；2.東方汽輪機(jī)股份有限公司，四川 德陽(yáng)618000）

在鈦合金加工中，冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)的合理使用十分重要［1－3］.目前，鈦合金加工主要通過大量澆注冷卻液降溫，但由于切削液的膜態(tài)沸騰作用和切屑的阻擋［4］，刀具－切屑接觸時(shí)（工作行程）的冷卻效果較差.當(dāng)?shù)毒撸ぜ撾x時(shí)（空行程），冷卻效果突然增強(qiáng)，極易造成刀具，特別是涂層刀具的熱疲勞破損［5］.因此，新型冷卻介質(zhì)和冷卻方法在鈦合金加工中的應(yīng)用成為研究的熱點(diǎn)［6］.微量潤(rùn)滑技術(shù)是最接近實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用的一種冷卻潤(rùn)滑方法.這種技術(shù)將潤(rùn)滑介質(zhì)顆粒混入帶有一定壓力的氣流載體中，形成氣液兩相流體噴向切削區(qū)域.研究人員對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，分析不同加工工藝參數(shù)對(duì)冷卻潤(rùn)滑效果的影響［7］.在采用微量潤(rùn)滑技術(shù)加工鈦合金過程中，切削區(qū)的高溫導(dǎo)致潤(rùn)滑介質(zhì)顆粒到達(dá)切削區(qū)的難度增加，潤(rùn)滑油的粘度降低，從而降低了潤(rùn)滑效果［8］.因此，很多研究人員利用冷風(fēng)、氮?dú)獾染哂斜Ｗo(hù)性質(zhì)的載體輸送潤(rùn)滑介質(zhì)顆粒，可以獲得較好的冷卻和潤(rùn)滑效果［9－10］.現(xiàn)有的研究主要集中在加工工藝參數(shù)對(duì)微量潤(rùn)滑效果的影響，而微量潤(rùn)滑系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)（如噴嘴布置、出油量、載體速度、載體溫度等）對(duì)微量潤(rùn)滑效果的影響研究較少.本文通過鈦合金TC4的銑削實(shí)驗(yàn)，研究冷風(fēng)油霧潤(rùn)滑介質(zhì)特性及其施加方式對(duì)刀具－切屑摩擦行為的影響.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

作為工件材料的鈦合金TC4是一種α＋β雙相鈦合金，由于其優(yōu)越的物理力學(xué)性能，該合金的使用量為75%～85%.在鈦合金TC4中，Al，V 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5.5%～6.75%，3.5%～4.5%；Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.25%；O 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.2%；剩余的成分為Ti.參考GB／T 3621－1994《鈦及鈦合金板材》的技術(shù)要求，鈦合金TC4采用冷軋退火處理.在熱處理?xiàng)l件下，TC4基本物理力學(xué)參數(shù)如下：密度為4.42g·cm－3；熱導(dǎo)率為6.7 W·（m·K）－1；比熱容為526.3J· （kg·℃）－1；最大工作溫度為315℃；屈服強(qiáng)度為880 MPa；抗拉強(qiáng)度為950 MPa；彈性模量為114GPa；泊松比為0.342.

1.2 冷風(fēng)油霧潤(rùn)滑系統(tǒng)

油霧發(fā)生器采用TL3000型霧化器（無錫市江蘇亞大集團(tuán)公司），出油量為0～20mL·h－1，可調(diào).采用CTY－B型低溫切削油，最低使用溫度為－50 ℃.冷風(fēng)載體為CTL－40／0.5型冷風(fēng)機(jī)（重慶市成田低溫加工技術(shù)有限公司），額定流量為500L·min－1，額定冷風(fēng)壓力為0.15 MPa，雙管噴射.由于冷風(fēng)載體的溫度和速度隨著輸送距離的增加而增加，因此，通過KA33型熱絲風(fēng)速風(fēng)溫計(jì)（日本加野公司）測(cè)量不同額定冷風(fēng)壓力下，冷風(fēng)載體的溫度（θ）和速度（v1）的變化情況，測(cè)量結(jié)果如圖1所示.

1.3 銑削試驗(yàn)

銑削實(shí)驗(yàn)在DAEWOO V500 加工中心上進(jìn)行.刀具及刀片規(guī)格分別為Seco R215.17－2020－16，TPUN 160308HX；刀具的前角為0°；后角為11°；刀尖圓弧半徑為0.8mm；刃口鈍圓半徑為0.02mm.銑削試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖2所示.

圖1 不同距離和壓力對(duì)噴霧溫度和噴霧速度的影響Fig.1 Effect of different distances and pressures on the spray temperature and the spray speed

圖2 銑削試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.2 Milling test site

微量潤(rùn)滑噴嘴到刀具的距離為10mm；冷風(fēng)載體到達(dá)刀具處的最低溫度約為－5 ℃；冷風(fēng)載體的速度分別為40，20，30，10m·s－1；微量潤(rùn)滑系統(tǒng)的出油量分別為0（只有冷風(fēng)），6，12，18mL·h－1.使用兩個(gè)油霧噴嘴對(duì)加工區(qū)域進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑.噴嘴的布置方式，如圖3所示.圖3中：指向后刀面的噴嘴位置保持不變，其軸線為刀具切入點(diǎn)A和切出點(diǎn)B的連線，主要對(duì)加工過程中后刀面進(jìn)行潤(rùn)滑冷卻；另一個(gè)噴嘴的位置分別布置在刀具切削過程中（布置方式1），刀具空行程中（布置方式2），刀具切入前（布置方式3）.為減小刀尖圓弧半徑對(duì)切削力的影響，將工件預(yù)切為槽型結(jié)構(gòu)（圖2）.試驗(yàn)采用側(cè)壁順銑的方法進(jìn)行.為了計(jì)算不同切削條件下的平均摩擦系數(shù)，使用9275B型測(cè)力儀（德國(guó)Kistler公司）測(cè)量X，Y兩向切削力（由于刀具的螺旋角為0°，且采用側(cè)壁銑削，Z向力可忽略）.其中，X向是刀具的進(jìn)給方向；Y向是刀具的徑向；測(cè)力儀的采樣頻率為5 000Hz.加工工藝參數(shù)：每齒進(jìn)給量為0.1mm·tooth－1；軸向切深為1.6mm；徑向切深為10mm；切削速度分別為40，60，80，100，120m·min－1.

圖3 不同的噴嘴布置方式Fig.3 Different nozzle arrangements

2 摩擦系數(shù)模型

2.1 銑削力坐標(biāo)變換

銑削力坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，如圖4所示.實(shí)驗(yàn)過程中，測(cè)力系統(tǒng)可獲得工件坐標(biāo)系下的切削力，如圖4（a）所示.摩擦系數(shù)μ則與刀具坐標(biāo)系下的主切削力FR和吃刀抗力FT相關(guān)，有

式（1）中：μ為平均摩擦系數(shù)；α為刀具前角；FT為吃刀抗力；FR為主切削力.力的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換可表示為

式（2）中：γ為切入角；ω為角速度；t為切削時(shí)間.

圖4 銑削力坐標(biāo)轉(zhuǎn)換Fig.4 Milling force coordinate transformation

2.2 平均摩擦系數(shù)計(jì)算

切削速度為60m·min－1銑削過程摩擦系數(shù)的計(jì)算，如圖5所示.利用式（2）將銑削力的測(cè)量結(jié)果（圖5（a））轉(zhuǎn)化到直角切削坐標(biāo)系下（圖5（b）），再利用式（1）計(jì)算得到整個(gè)銑削歷程的摩擦系數(shù)變化（圖5（c）），由此得到平均摩擦系數(shù)（μ），并將其作為評(píng)價(jià)潤(rùn)滑冷卻條件的指標(biāo).

圖5 銑削過程的摩擦系數(shù)計(jì)算Fig.5 Friction coefficient calculation of the milling process

3 結(jié)果與分析

3.1 噴嘴布置方式對(duì)刀具－切屑摩擦行為的影響

在切削過程中，油霧很難到達(dá)前刀面，因此，油霧噴嘴布置的主要目的是使刀具在旋轉(zhuǎn)過程中前刀面可以滯留更多的油霧.在油霧液滴噴出到達(dá)刀具表面的過程中，存在液滴破碎的現(xiàn)象.液滴在噴出過程中，內(nèi)部的動(dòng)力大于液體表面的張力，或者液滴受到撞擊形狀發(fā)生改變后，大液滴會(huì)變?yōu)樾∫旱?，表面能增加?1］.在這個(gè)過程中，速度越快對(duì)液滴的破碎作用越有利，所以合理布置噴嘴，使刀具前刀面和油霧的冷風(fēng)載體有最大的相對(duì)速度，對(duì)提高油霧的滯留有很大幫助.

將噴嘴出油量調(diào)至最大，刀具處冷風(fēng)風(fēng)速調(diào)至約40m·s－1，進(jìn)行不同切削速度和噴嘴布置形式條件下的銑削試驗(yàn).刀具－切屑的平均摩擦系數(shù)，如表1所示.表1中：v2為切削速度；μ為平均摩擦系數(shù).

表1 不同的噴嘴布置方式下的平均摩擦系數(shù)Tab.1 Average friction coefficient under the different nozzle arrangements

由表1可知：油霧噴嘴不同的布置方式對(duì)摩擦系數(shù)有一定的影響，布置方式1的潤(rùn)滑效果最差，布置方式3略好于布置方式2，主要有以下4個(gè)原因.1）由于切屑阻擋作用，布置方式1噴向前刀面的噴嘴噴出的油霧并不能很好地到達(dá)刀具前刀面，影響了刀具帶入到切削區(qū)域的油霧量.2）在刀具切削過程中，布置方式1刀具表面的溫度很高，接觸到刀具前刀面的油霧很快被氣化.3）與布置方式2相比，布置方式3刀具和噴嘴的相對(duì)速度高，由于液滴的破碎作用，刀具前刀面油霧的粘附效果好.4）布置方式3選擇在刀具切入工件的時(shí)候供油，此時(shí)刀具表面溫度最低，油霧的吸附效果好.

上述研究從側(cè)面說明：在最小微量潤(rùn)滑（MQL）加工中，起潤(rùn)滑作用的油霧主要是由刀具帶入切削區(qū)域的，而在切削過程中，油霧很難滲入到切削區(qū)域.后續(xù)切削實(shí)驗(yàn)的MQL施加上均選用布置方式3.

3.2 出油量對(duì)刀具－切屑摩擦行為的影響

將噴嘴設(shè)置為布置方式3，設(shè)定不同的出油量，冷風(fēng)風(fēng)速約為40m·s－1，在不同的切削速度（v2）下測(cè)定平均摩擦系數(shù)，考察出油量對(duì)平均摩擦系數(shù)（μ）的影響，結(jié)果如圖6所示.由圖6可知：當(dāng)霧化器出油量約為12mL·h－1時(shí)，繼續(xù)增加出油量對(duì)平均摩擦系數(shù)的影響有限.主要原因是出油量增加到一定值后，油霧液滴在刀具表面的粘附達(dá)到飽和，繼續(xù)增加出油量對(duì)油霧液滴的粘附作用有限，但是會(huì)浪費(fèi)切削油，并增加工作場(chǎng)所的可吸入有害顆粒.因此，后續(xù)切削試驗(yàn)的出油量均設(shè)為12mL·h－1.當(dāng)冷風(fēng)干切削時(shí)，平均摩擦系數(shù)隨著切削速度的增加而顯著增加；當(dāng)MQL切削時(shí)，平均摩擦系數(shù)變化不顯著.

3.3 油霧載體速度對(duì)刀具－切屑摩擦行為的影響

由圖6還可知：當(dāng)油霧載體速度約為40m·s－1時(shí)，平均摩擦系數(shù)在切削速度為40m·min－1時(shí)達(dá)到最小值.因此，將油霧載體速度分別設(shè)置為10，20，30m·s－1，觀察不同切削的速度（v2）下平均摩擦系數(shù)（μ）的變化情況，如圖7所示.

圖6 不同的出油量對(duì)平均摩擦系數(shù)的影響 Fig.6 Influence of different spray quantities on the average friction coefficient

圖7 不同的油霧載體速度對(duì)平均摩擦系數(shù)的影響Fig.7 Influence of different oil mist carrier speeds on the average friction coefficient

由圖7可知：切削速度提高時(shí)，油霧載體速度需要降低才能達(dá)到較好的潤(rùn)滑效果，切削速度和油霧載體速度之間存在一定的匹配關(guān)系；不同油霧載體速度對(duì)平均摩擦系數(shù)的影響無明顯規(guī)律.這主要是油霧液滴發(fā)生破碎后，形成的小液滴與刀具表面發(fā)生高速碰撞后出現(xiàn)回彈現(xiàn)象［11］，影響了油霧在刀具表面的滯留.同時(shí)，油霧載體速度和切削速度的變化影響了切削區(qū)固－液兩相流場(chǎng)的變化［12］，切削區(qū)域不同位置的液體滯留和熱對(duì)流現(xiàn)象都有可能發(fā)生明顯變化，影響了刀具和切屑之間的潤(rùn)滑性能.因此，在MQL加工過程中，油霧載體的速度并非越高越好，油霧載體速度要與切削速度相匹配，而這個(gè)匹配機(jī)理還需要借助流體力學(xué)等方法進(jìn)行深入研究.

4 結(jié)論

1）銑削加工TC4鈦合金時(shí)，在刀具切入工件前對(duì)前刀面進(jìn)行噴霧給油，刀具－切屑的平均摩擦系數(shù)較小，冷風(fēng)油霧潤(rùn)滑效果最佳.

2）銑削加工TC4鈦合金時(shí)，存在一個(gè)極限出油量，超過此出油量后，刀具－切屑的平均摩擦系數(shù)變化不大，刀具、切屑間摩擦性能的改善不再明顯.

3）隨著鈦合金TC4銑削速度的提高，冷風(fēng)干切削的平均摩擦系數(shù)持續(xù)增大，而冷風(fēng)油霧切削的平均摩擦系數(shù)變化不明顯，且遠(yuǎn)低于冷風(fēng)干切削時(shí)的平均摩擦系數(shù).

4）油霧載體速度影響了切削區(qū)固－液兩相流場(chǎng)的速度分布情況，進(jìn)而影響了冷卻潤(rùn)滑效果.對(duì)于潤(rùn)滑性能的提升而言，油霧載體速度并非越高越好，油霧載體速度和刀具轉(zhuǎn)速存在一定的匹配關(guān)系，使得潤(rùn)滑效果最優(yōu)，但其匹配機(jī)理還需要深入研究.

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