高溫合金在MQL條件下的切削研究

張曉琴 楊欣怡

摘要：在傳統(tǒng)澆注式、干切削和MQL 3種不同潤(rùn)滑條件下，對(duì)高溫合金材料進(jìn)行了車削試驗(yàn)。通過(guò)設(shè)計(jì)多因素正交試驗(yàn)法，測(cè)量切削過(guò)程中的動(dòng)態(tài)平均切削力;比較不同潤(rùn)滑方式對(duì)切削力及切削溫度的影響，繪制出影響曲線圖，揭示高溫合金材料在車削過(guò)程中的切削力變化情況，為實(shí)際的生產(chǎn)加工提供參考數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：高溫合金;傳統(tǒng)澆注式;干切削;MQL

0 引言

在傳統(tǒng)的車削加工中，為保證加工精度及刀具使用壽命，通常采用澆注式切削潤(rùn)滑方式，因此在加工過(guò)程中需要使用大量切削液，但是一般的切削液中往往含有大量的潤(rùn)滑劑、防腐劑以及防銹添加劑，所以大量使用切削液不僅大大增加了加工成本，而且會(huì)對(duì)人體和環(huán)境造成極大危害。隨著人們環(huán)境保護(hù)意識(shí)的不斷增強(qiáng)，各國(guó)學(xué)者對(duì)MQL（minimum quantity lubrication）在車削加工、銑削加工和鉆削加工等方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究。目前，MQL技術(shù)主要應(yīng)用于鑄鐵、鋼和鋁合金的鉆孔、鉸孔和攻絲加工以及深孔鉆削等。就目前國(guó)內(nèi)外研究材料來(lái)看，研究這種新型技術(shù)所用的材料都是常用的普通材料[1]，而本文研究選用高溫合金這種難加工的材料，通過(guò)對(duì)比其在干切削、澆注式切削和MQL 3種潤(rùn)滑方式下的切削力、切削溫度差異，探討MQL這種綠色加工技術(shù)應(yīng)用于難加工材料時(shí)的加工效果，為實(shí)際的生產(chǎn)加工提供參考數(shù)據(jù)。

1 MQL技術(shù)

MQL（minimum quantity lubrication）技術(shù)是將壓縮氣體與極微量潤(rùn)滑液混合汽化后，噴射到加工區(qū)，對(duì)刀具和工件之間的加工部位進(jìn)行有效潤(rùn)滑。MQL可以大大減少“刀具-工件”和“刀具-切屑”之間的摩擦，起到抑制溫升、降低刀具磨損、防止粘連和提高工件加工質(zhì)量的作用，既提高了工效，又不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。

2 高溫合金的機(jī)械性能及切削性能

高溫合金是在1 000 ℃左右條件下使用的一種工程材料，廣泛應(yīng)用于航天航空領(lǐng)域以及各種熱處理設(shè)備中。由于高溫合金中含有許多高熔點(diǎn)金屬元素，例如Fe、Ti、Cr、Ni、V、W、Mo等，這些高熔點(diǎn)金屬元素與其他金屬元素構(gòu)成純度高、組織致密的奧氏體合金，而且有的元素又與非金屬元素C、B、N等構(gòu)成硬度高、比重小、熔點(diǎn)高的金屬與非金屬化合物，使其切削加工性能變得很差。高溫合金的相對(duì)切削加工性能只有45號(hào)鋼的5%～20%。本次研究所用材料為鎳基高溫合金GH4169[2]，其機(jī)械特性如表1所示。

3 試驗(yàn)及分析

3.1? ? 試驗(yàn)方案及儀器

試驗(yàn)方案：本次試驗(yàn)運(yùn)用多因素正交試驗(yàn)法，將高溫合金分別在干切削、MQL、傳統(tǒng)澆注式潤(rùn)滑條件下進(jìn)行車削加工。在測(cè)量切削力時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備和刀具條件，選定4個(gè)因素的4個(gè)水平，設(shè)計(jì)4×4正交試驗(yàn)表如表2所示，各切削參數(shù)水平取值范圍由工廠實(shí)際生產(chǎn)參數(shù)及機(jī)床、刀具性能估算選定。在測(cè)切削溫度時(shí)，選取統(tǒng)一切削用量，分別測(cè)量3種潤(rùn)滑方式下的切削溫度。

試驗(yàn)儀器：CTL-40/1.5型冷風(fēng)機(jī)、紅外測(cè)溫儀、CA-lA動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、三向車削測(cè)力儀。試驗(yàn)平臺(tái)如圖1所示。

3.2? ? 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1? ? 切削力測(cè)量及分析

本文僅研究潤(rùn)滑方式對(duì)切削力的影響，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)多因素正交試驗(yàn)進(jìn)行直觀分析，如表3所示。

根據(jù)表3做出分析柱形圖，如圖2所示。

經(jīng)分析，與干切削相比較，使用MQL潤(rùn)滑方式可以大大降低切削力;與傳統(tǒng)澆注式即濕式潤(rùn)滑方式相比較，MQL潤(rùn)滑方式下的切削力基本與濕式潤(rùn)滑方式下的切削力相等。而在用量不同的MQL潤(rùn)滑，即A（5 mL/h用油量）、B（8 mL/h用油量）方式下，用量大的切削力略小，但并不與切削用量成正比。所以MQL技術(shù)在切削高溫合金材料時(shí)，在減小切削力方面效果顯著。

3.2.2? ? 切削溫度的測(cè)量與分析

切削熱是切削過(guò)程的重要物理現(xiàn)象之一。切削溫度能改變前刀面上的摩擦系數(shù)、工件材料的性能、影響積屑瘤的大小、已加工表面的質(zhì)量、刀具磨損和耐用度以及影響生產(chǎn)率等。圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）分別為干切削、澆注式潤(rùn)滑和MQL潤(rùn)滑條件下切削溫度的測(cè)試，在3種潤(rùn)滑方式下的切削溫度試驗(yàn)所用到的切削用量統(tǒng)一為切削速度35 m/min，進(jìn)給量0.09 mm/r，背吃刀量4 mm。

由圖3可以看出，MQL潤(rùn)滑條件下的切削溫度最小，干切削條件下的切削溫度最高。3種潤(rùn)滑方式下的切削溫度對(duì)比情況如圖4所示。

4 結(jié)論

（1）在同樣的切削（除潤(rùn)滑方式不同）條件下，MQL潤(rùn)滑條件下的切削力比干切削條件下的小，且相差幅度較大，而與傳統(tǒng)澆注潤(rùn)滑方式條件下的切削力基本相等。

（2）在同樣的切削（除潤(rùn)滑方式不同）條件下，MQL潤(rùn)滑條件下的切削溫度最小，傳統(tǒng)澆注潤(rùn)滑條件下的切削溫度次之，而干切削條件下的溫度最高。

（3）在MQL條件下切削高溫合金這種切削性能比較差的材料時(shí)，可以達(dá)到改善其切削性能、提高刀具的耐用度以及已加工表面質(zhì)量的目的。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李春勝，黃德彬.機(jī)械工程材料手冊(cè)：金屬材料[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[2] 北京市金屬切削理論與實(shí)踐編委會(huì).金屬切削理論與實(shí)踐[M].北京：北京出版社，1979.