低溫輔助加工射流參數(shù)對(duì)刀具磨損和表面完整性的影響

臧焜巖

(天津冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300400)

0 引言

目前，鈦合金由于其良好的力學(xué)性能、高耐腐蝕性以及高強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍事、航空航天以及生命科學(xué)領(lǐng)域[1-2]。然而，也正因?yàn)槿绱藢?dǎo)致鈦合金加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生較大的切削力以及大量的切削熱，加速刀具磨損降低刀具壽命[3]。針對(duì)以上問(wèn)題目前已有的解決方法主要有激光輔助加工[4-5]、高壓潤(rùn)滑輔助加工[6-7]以及本文主要研究的低溫輔助切削。

低溫冷卻主要是向切削區(qū)注入低溫液化氣體(液氮或CO2)，從而提高切削區(qū)切削熱消散速率，延長(zhǎng)刀具壽命[8]。近年來(lái)，低溫輔助切削已成為眾多研究學(xué)者廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)領(lǐng)域。Khan[9]的研究結(jié)果表面，低溫冷卻在加工AISI 4037和304L不銹鋼時(shí)也體現(xiàn)了其優(yōu)勢(shì)。另外，還獲得了更好的表面光潔度和極大地提高工具壽命(延長(zhǎng)刀具壽命約4倍)。后來(lái)，研究表明低溫輔助在高切削速度和高進(jìn)給速度下更有效。Bicek等[10]通過(guò)切削實(shí)驗(yàn)證明了低溫冷卻在加工AISI 52100 軸承鋼時(shí)提高刀具壽命約370%，殘余應(yīng)力增加300%～400%，并且得到了白色光滑表面。采用液氮潤(rùn)滑對(duì)鈦合金Ti-6Al-4V進(jìn)行加工時(shí)，相較于常規(guī)加工其效果更好，切削溫度降低約60%，刀具磨損顯著降低。Shokrain等[11]證明了低溫冷卻有利于提高鈦合金Ti-6Al-4V的加工表面質(zhì)量，在較高的切削速度和進(jìn)料速度下，采用液體CO2進(jìn)行低溫冷卻效果更好?？偟膩?lái)說(shuō)，國(guó)外在這方面的研究已取得迅速的發(fā)展，并開始用于生產(chǎn)；國(guó)內(nèi)處于試驗(yàn)初級(jí)研究，并取得了一些進(jìn)展。

基于以上分析，已有的關(guān)于低溫輔助加工研究大多集中在這種切削方式對(duì)刀具壽命，表面完整性以及切削溫度的影響。然而，已有研究中沒(méi)有考慮低溫冷卻液相關(guān)參數(shù)的影響。因此，本研究的目的是研究低溫輔助加工中液氮流量和壓力對(duì)刀具壽命、磨損機(jī)理和表面完整性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

切削實(shí)驗(yàn)在精密數(shù)控機(jī)床LTC25iL(2500 rev/min，24kW)上進(jìn)行，液氮通過(guò)隔熱管傳遞給刀具。鈦合金Ti-6Al-4V工件厚度和長(zhǎng)度分別為D=180 mm和L=250 mm。由于鈦合金具有較高的化學(xué)活性，刀具材料選擇未涂層的H13A硬質(zhì)合金刀片(CCMT 12-04-08KM)，使用立體顯微鏡和掃描電子顯微鏡(SEM)跟蹤工具磨損的演變情況。刀具側(cè)刀面磨損臨界值VB設(shè)置為0.3 mm，為了測(cè)量流量大小，將液氮?dú)夤迲覓觳⑴cHBMS9M/5KN測(cè)力傳感器相連。另外，為了研究刀具磨損機(jī)理，對(duì)刀具進(jìn)行了能量色散X射線譜(EDS)分析；在表面完整性方面，采用X射線衍射和表面粗糙度測(cè)量對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)；最后，利用測(cè)量鏈(Kistler 9257B壓電測(cè)力計(jì))對(duì)切削過(guò)程中的切削力進(jìn)行測(cè)量。具體實(shí)驗(yàn)設(shè)置和切削參數(shù)設(shè)置分別如圖1和表1所示。

圖1 具體實(shí)驗(yàn)裝置

表1 切削參數(shù)設(shè)置

首先，對(duì)給定壓力下的噴嘴直徑進(jìn)行了初步試驗(yàn)，以確定流量與噴嘴直徑的對(duì)應(yīng)關(guān)系：選擇冷卻液噴嘴直徑；打開氮?dú)獠y(cè)量氣罐損耗的重量；計(jì)算不同噴嘴直徑對(duì)應(yīng)的射流流量，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2 噴嘴直徑與流量之間的關(guān)系計(jì)算

2 刀具磨損

第一組實(shí)驗(yàn)在保持壓力恒定的情況下用于驗(yàn)證不同液氮流量對(duì)刀具磨損值VB的影響，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。首先，由圖中可以看出低溫輔助切削相較于干式切削或傳統(tǒng)切削液切削過(guò)程能夠顯著延長(zhǎng)刀具壽命。其中相比較干式切削，低溫輔助切削提高刀具壽命約四倍。這主要是由于切削溫度的迅速下降，一定程度上使某些磨損機(jī)制的磨損現(xiàn)象發(fā)展減緩。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)表明LN2的流量對(duì)于刀具壽命也有明顯影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，即使氣壓條件不同，噴嘴射流流量較大時(shí)對(duì)于刀具磨損有一定的抑制作用。如圖2a所示，當(dāng)持續(xù)加工15 min時(shí)，射流流量在3.01 l/min條件下刀具側(cè)刀面磨損不超過(guò)0.2 mm，遠(yuǎn)小于刀具臨界磨損極限。

(a) 高壓(8～10bar)

(b) 低壓(4～5bar)(Vc=80m/min,ap=1mm,f=0.2mm/rev)圖2 刀具磨損情況

第二組實(shí)驗(yàn)為固定射流流量，驗(yàn)證液氮壓力對(duì)刀具磨損的影響，如圖3所示。一方面，低流量條件時(shí)，刀具壽命分別增長(zhǎng)了3.5倍和4.5倍，高壓力條件更有利于減少刀具磨損現(xiàn)象，如圖3a所示；另一方面，高流量條件時(shí)，液氮壓力對(duì)刀具壽命的影響更為顯著，低壓情況下刀具壽命增長(zhǎng)4.8倍，如圖3b所示。因此，可以注意到低流量+高壓力和高流量+低壓力影響結(jié)果較為接近，這對(duì)于降低低溫冷卻過(guò)程中液氮消耗量提供現(xiàn)實(shí)意義。綜合來(lái)說(shuō)，在高壓和高流速下獲得了最好的結(jié)果。

(a)高流量(3.0±0.2)

(b)低流量(1.6±0.2)(Vc=80m/min,ap=1mm,f=0.2mm/rev)圖3 刀具磨損情況

(a)SEM

(b)EDS(高壓;T=15min;VB=0.19mm)圖4 刀具磨損分析

圖4為低溫輔助切削中刀具磨損檢測(cè)圖。由圖可知，刀具的粘著磨損現(xiàn)象依然存在，即使低溫輔助切削能夠明顯減少切削區(qū)的溫度而提高刀具壽命，但是液氮冷卻液無(wú)法達(dá)到刀具與切屑的接觸區(qū)。鈦合金切削過(guò)程中刀尖點(diǎn)的切削溫度依然很高，從而影響其刀面質(zhì)量。

3 表面完整性

(a)切削力

(b)表面粗糙度圖5 表面完整性檢查

(a)流量影響

(b)壓力影響圖6 表面殘余應(yīng)力檢測(cè)

隨后，利用PROTP iXRD對(duì)工件表面殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量。分析結(jié)果表明，低溫輔助對(duì)殘余應(yīng)力有顯著的改善。與干法加工條件相比，壓應(yīng)力水平提高了一倍(由-200提高到-430 MPa)，也可以驗(yàn)證液氮流速和壓力的顯著影響，如圖6所示。壓力值相同條件下，當(dāng)流量由1.61 l/min增加到3.01 l/min，壓應(yīng)力增加到120 MPa(提高約40%)。然而，流量相同情況下，殘余應(yīng)力值隨著壓力值減少而減少。

由于拉應(yīng)力和壓應(yīng)力分別是由熱載荷和機(jī)械載荷引起的，所以所觀察到的不同主要是由于熱量影響減少以及切削力增加導(dǎo)致的。雖然切削區(qū)有效的低溫冷卻可以降低切削溫度，但是同樣會(huì)減少其拉應(yīng)力而提高壓應(yīng)力。此外，切削力的增加將導(dǎo)致機(jī)械本身的殘余應(yīng)力增加。因此，低溫輔助切削可以對(duì)壓應(yīng)力改善的原因進(jìn)行解釋。

4 結(jié)論

本文對(duì)低溫輔助加工中液氮流量和壓力對(duì)刀具磨損機(jī)理和工件表面完整性進(jìn)行了研究?；诓煌臏y(cè)試和分析，結(jié)果證明低溫冷卻可以顯著地增加工具壽命；刀具磨損情況依賴于冷卻液參數(shù)，特別是液氮流量，在高流量和高壓力下獲得了最佳的切削性能(加工15 min后，側(cè)面磨損不超過(guò)0.2 mm)，明顯小于刀具磨損極限；據(jù)EDS分析，粘著磨損仍是切削過(guò)程中最主要的磨損形式，高流量下殘余應(yīng)力有明顯提高。然而，低溫輔助切削得到的工件表面粗糙度沒(méi)有顯著變化。

未來(lái)研究中，將對(duì)低溫輔助切削過(guò)程中刀具磨損機(jī)理進(jìn)一步分析，確定主要磨損機(jī)制，為提高低溫輔助切削過(guò)程中刀具壽命提供理論基礎(chǔ)。