TC4鈦合金在低溫CO2冷卻下的切削性能

肖 虎 李 亮

南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京，210016

TC4鈦合金在低溫CO2冷卻下的切削性能

肖 虎 李 亮

南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京，210016

TC4鈦合金在高速車削時(shí)易出現(xiàn)刀具磨損快和纏屑等問(wèn)題，難以保證表面加工質(zhì)量。利用自行組建的強(qiáng)壓液態(tài)CO2供給系統(tǒng)，將低溫CO2混合物高速射流作為冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)，研究了低溫CO2射流下高速切削TC4鈦合金時(shí)的切削溫度、切削力、刀具磨損、表面粗糙度以及切屑的斷屑情況，并將其與干切削狀況進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，低溫CO2射流可有效降低切削溫度,減小切削力，減輕切屑纏繞，抑制刀具磨損并提高已加工表面質(zhì)量。

高速切削；TC4鈦合金；低溫CO2；強(qiáng)化冷卻

0 引言

先進(jìn)的冷卻潤(rùn)滑方式是鈦合金等難加工材料高速切削過(guò)程中抑制刀具磨損和保證加工質(zhì)量的主要手段之一。加工鈦合金等難加工材料時(shí)，將低溫CO2作為切削介質(zhì)，可有效減小刀-屑界面的摩擦和切削力，降低切削溫度，從而提升刀具的耐磨性和工件已加工表面的質(zhì)量[1]。低溫CO2作為冷卻劑應(yīng)用于切削加工始于20世紀(jì)50年代[2]。INOUE等[3]的實(shí)驗(yàn)研究表明，低溫CO2在鈦合金切削中對(duì)刀具磨損有抑制作用。CAKIR等[4]以N2、CO2等為鋼鐵類材料的切削保護(hù)氣體，并指出干冰冷卻劑在冷卻潤(rùn)滑效果方面優(yōu)于N2、Ar及其他惰性氣體和不易化學(xué)反應(yīng)的氣體。同時(shí)，CAKIR等[4]研究分析了車削AISI-1040鋼時(shí)CO2射流對(duì)切削力、表面粗糙度、剪切角、前刀面摩擦因數(shù)等的影響。de CHIFFRE等[5]的研究表明，在切削奧氏體不銹鋼時(shí)，干冰作為切削冷卻劑的效果優(yōu)于水基乳化液，刀具壽命、表面粗糙度和切削力都得到了很好的改善和提高。近年來(lái)，JEROLD等[6]、HONG等[7]以多種低溫氣體射流作為切削介質(zhì)，進(jìn)行了鈦合金切削實(shí)驗(yàn)，證明了干冰射流的切削效果在切削溫度、切削力、工件表面質(zhì)量和刀具磨損上優(yōu)于其他氣體，是一種有著巨大潛力的切削冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)。

上述將低溫CO2作為切削介質(zhì)的實(shí)驗(yàn)研究，在一定程度上揭示了低溫CO2在鈦合金等難加工材料切削加工中的重要作用。然而，如何構(gòu)建簡(jiǎn)單的低溫CO2供給系統(tǒng)，優(yōu)化低溫CO2的流量，揭示TC4鈦合金高速切削時(shí)的低溫CO2作用機(jī)理等，均有待于深入系統(tǒng)的研究。為此，筆者以低溫CO2為切削介質(zhì)，利用自行組建的強(qiáng)壓液態(tài)CO2供給系統(tǒng)，進(jìn)行TC4鈦合金高速車削試驗(yàn)，通過(guò)與干切削的對(duì)比，重點(diǎn)分析低溫CO2強(qiáng)化冷卻下的切削溫度、切削力、刀具磨損、表面粗糙度以及切屑的斷屑情況，揭示了低溫CO2的冷卻與減磨作用機(jī)理。

1 強(qiáng)壓液態(tài)CO2供給系統(tǒng)

在低溫CO2的噴射過(guò)程中，液態(tài)CO2必須始終處于6 MPa以上的高壓環(huán)境才能維持連續(xù)的液態(tài)傳輸。普通的管路和連接裝置很容易在高壓和低溫的作用下破裂并導(dǎo)致密封失效，為此需要一套特殊的液壓傳輸管路和連接裝置來(lái)將高壓鋼瓶?jī)?nèi)的液態(tài)CO2，以液體形式輸送至噴嘴或內(nèi)冷刀處，進(jìn)而形成高速低溫的CO2混合物射流。

圖1為強(qiáng)壓液態(tài)CO2供給系統(tǒng)組建圖。與文獻(xiàn)[6]中的供給系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)取消了減壓閥，并用HOSE-602-0601-32MPA-MT型鋼絲編織液壓軟管(可耐高壓32 MPa)替換普通壓力軟管，來(lái)構(gòu)建高壓低溫液壓管路。瓶?jī)?nèi)的液態(tài)CO2會(huì)以15MPa的強(qiáng)壓噴出，射流壓力高于文獻(xiàn)[6]中的供給系統(tǒng)(冷卻系統(tǒng)噴口處壓力為0.1 MPa)。圖1中噴嘴部分的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 低溫液態(tài)CO2冷卻裝置Fig.1 Cryogenic liquid CO2 coolant setup

圖2 低溫CO2噴頭結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of cryogenic CO2 nozzle

為便于調(diào)節(jié)射流噴射角度，噴嘴通過(guò)球閥與管路連接。噴嘴直徑為3.175 mm(1/8英寸)并內(nèi)置120°錐度擋板。該噴嘴可以將強(qiáng)壓干冰混合物以最佳射速和流量噴出，并形成密集高速的低溫CO2射流。低溫CO2強(qiáng)冷切削現(xiàn)場(chǎng)如圖3所示。

圖3 CO2冷卻切削試驗(yàn)Fig.3 Cutting experimentation in CO2 cutting coolant conditions

外噴冷卻時(shí)，噴射距離對(duì)冷卻能力有較大影響。為了獲得最佳射流溫度，采用XMT3000測(cè)溫儀測(cè)得了不同噴射靶距下，抵達(dá)切削區(qū)的射流溫度，如表1所示。顯然，在噴射靶距為40 mm時(shí)，可獲得最佳射流溫度-73 ℃。因此，本次試驗(yàn)中的噴射靶距均設(shè)定在40 mm左右。

表1 不同噴射距離下的低溫CO2射流溫度

2 試驗(yàn)條件與方法

2.1 工件材料、刀具與測(cè)量設(shè)備

試驗(yàn)采用TC4鈦合金棒料，工件長(zhǎng)240 mm，直徑100 mm。退火態(tài)TC4鈦合金棒料的主要力學(xué)性能為：剪切強(qiáng)度τ=656 MPa，屈服強(qiáng)度σ=969 MPa，延長(zhǎng)率δ=16.2%，變形率ψ=16.2%。

刀桿型號(hào)為SCLCR2020K12。刀具為PCD刀具，刀具型號(hào)為CCGT 120404NN，刀具幾何參數(shù)為：前角γ0=15°，后角α0=7°，過(guò)渡棱寬0.2 mm，刀尖圓弧半徑0.4 mm，安裝刀片后刀具主偏角Kr=80°。

切削試驗(yàn)在車床C6132AI上進(jìn)行，使用Kistler 9265B測(cè)力儀實(shí)時(shí)采集切削力，使用Optris infrared thermometers 200紅外測(cè)溫儀對(duì)切削溫度進(jìn)行監(jiān)控。切削結(jié)束后，使用M201 Dynascope顯微鏡來(lái)觀察刀片前后刀面的磨損及磨損量。工件表面粗糙度則由Mahr-Pertho meterM1粗糙度測(cè)量?jī)x檢測(cè)。

2.2 切削參數(shù)與方案

采用低溫CO2射流冷卻和常溫切削對(duì)比的方法來(lái)研究?jī)煞N冷卻方式對(duì)刀具磨損的影響。根據(jù)前期實(shí)驗(yàn)結(jié)果以及刀具推薦參數(shù)，確定如下切削參數(shù)：切削速度v=100 m/min，進(jìn)給量f=0.1 mm/r，切削深度ap=1 mm。

低溫CO2射流切削時(shí)，選取了兩組流量：350～450 g/min 和550～650 g/min。

3 試驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 切削溫度和切削力

由于鈦合金化學(xué)活性大[8]，在 300 ℃、500 ℃和 600 ℃時(shí)分別與氫、氧和氮發(fā)生化學(xué)作用，形成硬脆表層(深度可達(dá) 0.10～0.15 mm，硬度增加20%～30%)，所以切削溫度的抑制被視為衡量低溫CO2射流切削效果的重要指標(biāo)[7]。

如圖4所示，低溫CO2射流冷卻切削的最高切削溫度為142 ℃，僅為干切削的37.43%。低溫CO2和干冰混合物不僅通過(guò)吸熱有效降低了鈦合金切屑的溫度，同時(shí)也降低了鈦合金和氫、氧等氣體的化學(xué)反應(yīng)速率。

(a)常溫切削

(b)低溫CO2射流圖4 低溫CO2和常溫條件下的切削溫度Fig.4 Cutting temperature in cryogenic CO2 and ambient temperature cutting coolant conditions

如表2所示，低溫CO2射流冷卻切削的主切削力均小于干切削的主切削力，平均減小了12%。通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)壓干冰混合物射流冷卻在抑制鈦合金氧化作用的同時(shí)，也阻止了硬脆表層的生成，最終有效減小了切削力。

表2 不同冷卻條件下的主切削力

3.2 切屑外形

鈦合金在干切削條件下出現(xiàn)嚴(yán)重的纏屑現(xiàn)象，低溫CO2射流冷卻切削則幾乎沒(méi)有纏屑，切屑形貌如圖5所示。在350～450 g/min低溫CO2冷卻條件下，480 mm切削行程內(nèi)會(huì)出現(xiàn)纏屑現(xiàn)象(每80 mm行程大約出現(xiàn)兩三次)，切屑為螺旋形；加大CO2用量(550～650 g/min)后，切屑變成了帶狀且明顯縮短，不再出現(xiàn)纏屑現(xiàn)象。試驗(yàn)表明，在低溫CO2射流沖擊的情況下，切屑硬直不易彎曲，且更容易被高速射出的干冰混合物吹斷。

(a)常溫切削

(b)350～450 g/mim低溫冷卻切削

(c)550～650 g/min低溫冷卻切削圖5 常溫切削和低溫CO2冷卻切削切屑Fig. 5 Chips of ambient temperature cutting and cryogenic CO2 cutting

不同的CO2用量會(huì)出現(xiàn)不同的切屑半徑，試驗(yàn)中不同切削情況下的切屑半徑如表3所示。

表3 不同冷卻條件下的切屑半徑

通過(guò)表3可以看出，刀具在CO2用量降低的情況下，切屑曲率半徑減小。 CO2用量達(dá)到550～600 g/min后，斷屑更容易而且切屑半徑增大，切屑由螺旋形變成帶狀，如圖5c所示，因此該流量條件下的切削斷屑效果優(yōu)于450 g/min的切削斷屑效果，但是加工成本也有所提高。

如圖6所示，低溫CO2冷卻切削條件下，切屑底部的連接已變得稀疏，切屑節(jié)與節(jié)之間更容易崩斷，鈦合金切屑表面較為光滑，絕熱剪切帶較平直，且鋸齒狀切屑的節(jié)狀較為凸突。低溫CO2冷卻下的切屑相較于常溫切削更加平直且易于折斷，其主要原因在于，鈦合金在強(qiáng)冷條件下，其切削區(qū)溫度遠(yuǎn)低于常規(guī)切削，金屬在較低的溫度下保持一定的脆性，使剪切滑移更容易發(fā)生，從而使得切屑的鋸齒化程度加劇，最終導(dǎo)致切屑不易彎曲且容易折斷。

(a)常溫切削

(b)低溫CO2冷卻切削圖6 常溫切削和低溫CO2冷卻切削切屑Fig.6 Chips of ambient temperature cutting and cryogenic CO2 cutting

3.3 刀具磨損與表面粗糙度

鈦合金在切削過(guò)程中，常常會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的前刀面機(jī)械磨損[9],刀尖附近的切削溫度達(dá)381 ℃，此時(shí)PCD刀具極易與鈦合金以及空氣中的氧起化合作用，從而加劇了刀具的磨損，如圖7a所示。

首先，高壓低溫的干冰與CO2氣體混合物能有效降低刀尖附近處的切削溫度。如圖4b所示，刀尖附近區(qū)域溫度僅為142.7 ℃。其次，大量由干冰升華而成的CO2氣體很好地將PCD刀具、工件表面與空氣隔絕。工件和刀具不再暴露于高溫空氣中，氧化過(guò)程受到抑制。較低的溫度同時(shí)也抑制了刀具與工件間的化學(xué)擴(kuò)散磨損。低溫CO2射流冷卻車削磨損情況如圖7b所示，在切削鈦合金時(shí)，使用低溫CO2射流作為冷卻劑能較好地抑制刀具磨損，其效果優(yōu)于常規(guī)切削方式。

(a)常溫車削

(b)低溫CO2射流冷卻車削圖7 不同冷卻方式下前刀面磨損Fig.7 Crater of tool in different coolant

如圖8所示，低溫CO2射流冷卻切削1040 mm后，刀具磨損依舊低于磨鈍標(biāo)準(zhǔn)，前刀面磨損僅僅為112.8 μm，而且沒(méi)有出現(xiàn)任何月牙洼磨損；一次干式車削就會(huì)出現(xiàn)明顯的月牙洼磨損，經(jīng)過(guò)3次走刀(行程240 mm)后，月牙洼就可以超過(guò)225.0 μm。圖8直觀顯示，低溫CO2射流冷卻降溫對(duì)PCD刀具的高溫月牙洼磨損抑制有著極其明顯的效果。

圖8 不同冷卻條件下的刀具磨損值Fig.8 Value of tool crater in different coolant

如圖8所示，若采用大于450 g/min的流量(文獻(xiàn)[6-7]實(shí)驗(yàn)中的標(biāo)準(zhǔn)用量)的液態(tài)CO2，刀具的磨鈍過(guò)程將被更為有效地抑制。圖8中，切削行程超過(guò)480 mm后，CO2流量達(dá)到550～600 g/min，此時(shí)刀具磨損值并未大幅增大，前刀面磨損僅僅從105.0 μm增加到112.8 μm，增長(zhǎng)7.4%。這證明當(dāng)CO2用量達(dá)到550 g/min時(shí)，刀具的磨鈍被很好地抑制。

如圖9所示，在240 mm切削行程條件下，低溫CO2冷卻切削的表面粗糙度要比干切削小0.83 μm，將近減小50%。切削行程為1040 mm時(shí)，粗糙度也僅僅是達(dá)到1.219 μm，可見(jiàn)低溫CO2混合物冷卻劑能較好地提高工件表面加工質(zhì)量。

圖9 不同冷卻條件下的工件表面粗糙度Fig.9 Surface roughness of workpiece in different coolant

綜上所述，高速切削TC4時(shí)，PCD刀具仍以前刀面的月牙洼磨損為主，低溫CO2射流冷卻能有效降低切削溫度，進(jìn)而較好地抑制刀具的氧化磨損，降低擴(kuò)散磨損速度。刀具磨損被抑制后，加工表面質(zhì)量也得到提升。

4 結(jié)論

(1)切削鈦合金時(shí)，使用低溫CO2冷卻劑后，刀具前刀面月牙洼磨損得到有效抑制。同時(shí)，低溫CO2射流冷卻能降低工件表面粗糙度(降了50%)并減小切削力，切屑不再出現(xiàn)纏繞和斷屑困難的現(xiàn)象。

(2)低溫CO2射流流量的大小會(huì)影響切屑變形和斷屑情況。液態(tài)CO2流量在550g/min以上時(shí)，雖然能夠有效抑制刀具磨損并避免切屑纏屑，但成本也相對(duì)較高。

(3)液態(tài)CO2較高的成本是制約大流量噴射應(yīng)用的重要因素，最佳用量可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)，比較經(jīng)濟(jì)的用量為450～550 g/min。

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(編輯 張 洋)

High Speed Cutting of TC4 Titanium Alloy under Cryogenic CO2Cooling Conditions

XIAO Hu LI Liang

College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing，210016

Rapid tool wear and poor chip breaking performance appeared on high speed cutting of TC4 alloy, while quality of the machined surfaces might not be guaranteed. By high-pressure liquid CO2supply system, TC4 titanium alloy was tested with high speed cutting processes under condition of CO2snow coolant. Cutting temperaturs, cutting force, tool wear, surface roughness and chip breakings of TC4 cutting were analyzed on high speed TC4 under enhanced cooling of cryogenic CO2. Difference between suppress CO2snow cooling condition and dry cutting condition were compared with multi-parameters. Experimental results show that cutting temperatures, cutting forces, chip breakings, tool wears and quality of the machined surfaces are improved by the suppress CO2snow coolant.

high speed cutting; TC4 titanium alloy; cryogenic CO2; enhanced cooling

2016-06-12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51475234)

O327；TH113

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.08.001