霧化噴射切削液在鎳基合金車削中的試驗研究

周漢，宋延沛，陳丹萍，蘇明

1海南科技職業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院；2河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院

1 引言

Inconel 718合金廣泛應(yīng)用于航空和航天領(lǐng)域中，在加工過程中需要高性能的刀具和冷卻技術(shù)才能獲得良好的切削性能。由于在機械加工過程中切削液能減少刀—屑間的摩擦力，降低加工區(qū)域的溫度，對于提高切削性能具有重要影響[1，2]。

由于干式切削加工后的表面質(zhì)量差，且其生產(chǎn)效率低，一般不適合硬質(zhì)材料[3]。國內(nèi)外學(xué)者在切削液的應(yīng)用方面開展了大量研究，Deshpande Y.V.等[4]利用植物油基切削液+固體潤滑劑的霧化噴霧冷卻技術(shù)來提高硬質(zhì)材料的加工性能，涉及到表面粗糙度、能量消耗、加工成本、刀具磨損和刀具壽命等可持續(xù)參數(shù)。黃丙琪等[5]針對鈦合金銑削加工，在干式切削加工的基礎(chǔ)上提出了水基切削液超聲霧化加工方式，結(jié)果表明，該改進的加工方式能有效降低刀具的磨損。楊學(xué)明等[6]研究了四種切削介質(zhì)對鋁合金微細銑削加工質(zhì)量的影響，結(jié)果表明，微量切削液介質(zhì)加工條件下能有效提高工件表面質(zhì)量。石莉等[7]通過試驗研究了不同冷卻方式對H13A硬質(zhì)合金的加工性能影響，結(jié)果表明，采用切削液冷卻有利于提高刀具使用壽命。申媛媛等[8]通過實驗研究了切削液微生物在鋁合金加工過程中的腐蝕現(xiàn)象，結(jié)果表明，浸泡時間能影響鋁合金的電荷轉(zhuǎn)移電阻，浸泡時間越長，鋁合金本體的腐蝕速率越快。黃建等[9]從機械加工生產(chǎn)質(zhì)量出發(fā)，利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行了切削液的選擇，結(jié)果表明，該算法選擇的切削液能明顯提升加工表面質(zhì)量。其他比較典型切削液加工可見文獻[10-13]所述。

基于上述研究并根據(jù)不同切削參數(shù)，分別在霧化噴射切削液冷卻加工方式和干式冷卻加工方式條件下，對鎳基高溫合金Inconel 718的車削進行了對比試驗。在兩種加工方式冷卻條件下，對加工振動、表面形貌、功耗、切屑形態(tài)、刀具磨損與壽命、加工成本等重要性能指標進行了評估。結(jié)果表明，與干式加工技術(shù)相比，采用霧化噴射切削液技術(shù)能夠獲得良好的切削表面質(zhì)量，且在加工成本方面具有一定的優(yōu)勢，驗證了霧化噴射切削液技術(shù)可以作為一種替代冷卻技術(shù)來提高加工能力。

2 實驗過程

2.1 實驗材料

霧化噴射冷卻技術(shù)是將切削液以5～10μm的細液滴噴灑在加工區(qū)域上的有效方法之一。切削液通常由不同濃度的水和冷卻劑混合而成，該冷卻技術(shù)包括兩個進氣管道供應(yīng)空氣(3～6bar)和冷卻劑(20～500mL/h)。氣流射流允許切削液通過噴嘴(>1mm)以細小液滴的形式噴射。細小液滴迅速吸收熱量，有助于減少界面之間的摩擦，從而降低刀具磨損、提高刀具壽命和表面粗糙度。

在PUMA-2000數(shù)控車床上對Inconel 718合金進行車削加工，采用YG6硬質(zhì)合金刀具，材料長度為400mm，直徑為80mm。霧化噴射切削液采用兩種固體潤滑劑，第一種為石墨固體潤滑劑，粒徑為30～45μm；第二種為二硫化鉬(MoS2)潤滑劑，粒徑為10～15μm。

實驗分別取各固體潤滑劑與200mL丙酮混合，使顆粒能夠均勻分布，同時水溶性切削液與固體潤滑劑按照9:1的比例濃度混合，配制完成后固體潤滑劑的質(zhì)量分數(shù)為0.2wt.%。霧化噴射冷卻裝置的噴嘴直徑為1mm，噴霧角度為20°。水溶性切削液(S-1001)比重為1.03，40°C時的黏度為85cP，密度為1000kg/m3。噴射的流量由流量調(diào)節(jié)閥控制，且在切削過程中保持刀尖與噴嘴的距離為50mm。

2.2 實驗程序

為了評價加工性能，每種加工條件都采用新車刀。利用固定在刀架頂部的PCB 356A15振動傳感器和NI 9234數(shù)據(jù)記錄儀測量加工過程中的振動情況，并采用MATLAB軟件對數(shù)據(jù)進行處理。使用乙醇作為清洗劑，通過超聲波清潔器清洗工件，清洗過程持續(xù)15min。加工完成后采用TR200便攜式粗糙度儀進行表面粗糙度的測量，粗糙度試驗的截割長度為0.8mm，橫向長度為4mm。干式加工和霧化噴射切削液加工過程的實驗裝置如圖1所示。利用光學(xué)顯微鏡對已加工表面進行放大檢查，放大500～5000倍對加工表面進行觀察，并通過掃描電鏡檢查刀具磨損情況，表1為實驗的相關(guān)參數(shù)。

圖1 實驗裝置

表1 實驗參數(shù)設(shè)置

3 實驗結(jié)果與討論

在兩種冷卻條件下研究Inconel 718合金車削加工過程中的振動情況、表面粗糙度、功率消耗以及經(jīng)濟性指標。

3.1 車削振動特性分析

圖2描述了干式噴射和霧化噴射切削條件下，不同加工參數(shù)組合(切削深度ap、進給速度f和切削速度vc)的振動加速度情況。在切削過程中，進給速度f和切削深度ap會影響切削過程中的振動加速度。

圖2 干式加工和霧化噴射加工振動加速度對比

可以看出，與干式加工相比，霧化噴射切削液加工的振動加速度降低了14%～29%，說明采用石墨和二硫化鉬的微粒潤滑劑能有效降低刀—工相互作用點的振動；隨著切削速度和切削深度增加，切削溫度逐漸升高，增加了噪聲的產(chǎn)生，導(dǎo)致干式加工中出現(xiàn)更多振動和顫振痕跡[14]。此外，在干式加工中，陶瓷刀具在較高的切削速度下會產(chǎn)生不穩(wěn)定特性，使得刀—工之間的相對位移更大。與干式加工不同，霧化噴霧切削液在各種加工條件下都能顯著減少摩擦和刀具偏移，霧化噴射進入刀—屑切削界面區(qū)域，有助于降低加工系統(tǒng)的振動。

3.2 表面粗糙度

表面粗糙度是評價加工工件表面質(zhì)量的重要指標，在工件的表面中，最大值和最小值之間的垂直距離被視為從中心線到給定范圍內(nèi)的峰谷距離，表面粗糙度的數(shù)學(xué)表達式為

(1)

如圖3所示，干式加工后的工件表面粗糙度值為0.47～0.75μm，霧化噴射加工的表面粗糙度值為0.36～0.57μm。對比實驗結(jié)果可知，在vc=150m/min，f=0.04mm/r，ap=0.4mm的加工參數(shù)條件下，霧化噴射切削液加工和干式加工后的表面粗糙度差值最大。在實驗加工過程中，表面粗糙度值隨進給速度f的增加而增加。霧化噴射切削液加工后的表面粗糙度值約為干式加工的17%～34%。

圖3 干式加工和霧化噴射加工表面粗糙度對比

由圖4可以看出，在霧化噴射切削液與干式加工條件下，霧化噴射加工的工件具有更好的表面粗糙度，這是由于刀尖界面中存在細小的噴霧，降低了波紋度的振幅，從而得到較優(yōu)的表面輪廓。

(a)vc=100m/min，f=0.04mm/r，ap=0.2mm

此外，在使用微固體潤滑劑的霧化噴射切削液加工時切屑易碎性較好，切屑在加工區(qū)域堆積較少，與干式加工相比，減少了顫振痕跡，提高了材料去除效率。

圖5為不同加工參數(shù)下的工件工表面質(zhì)量缺陷情況?？梢钥闯?，在干式加工和霧化噴射切削條件下均存在一定的缺陷，這些缺陷包括燒傷表面、進給痕跡、劃痕、塑性變形、工件和刀具碎屑。與霧化噴射切削液加工相比，干式加工會產(chǎn)生更多的進給痕跡和燒傷表面，其原因是微固體潤滑劑與水溶性油增強了熱量的吸收，Inconel 718導(dǎo)熱性差，在較高轉(zhuǎn)速下與刀具材料容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，增加了刀—工界面之間的塑性變形。然而，細小的霧滴使沿工件表面和刀尖的摩擦力達到最小，從而使刀尖在高溫下保持鋒利。

(a)vc=100m/min，f=0.04mm/r，ap=0.2mm

3.3 加工功耗

由于數(shù)控車床在工作過程中產(chǎn)生巨大的功耗，常被認為是一種重型機床。功耗采用常規(guī)的經(jīng)驗公式計算，為

式中，Ks為比切削力；η為機床總功率。

干式加工的功耗在0.41～2.11kW的范圍內(nèi)，霧化噴射切削液加工的功耗為0.31～1.34kW。可以看出，隨著切削深度的增加，功耗也逐漸增加；而隨著進給速度的增加，功耗則逐漸減少，這種現(xiàn)象主要是由于切削時間減少導(dǎo)致功耗減少。此外，在霧化噴射切削液加工中，當vc=200m/min，f=0.08mm/r，ap=0.2mm時，與干式加工相比，其功耗降低了57%。從圖6可以看出，與干式加工相比，霧化噴射切削液加工的功耗降低了3%～56%，分析原因是在噴霧切削液加工條件下，可以最大限度地減少加工區(qū)域的切削力和切削溫度，從而提高材料去除率并降低電機負載。

圖6 干式加工和霧化噴射加工功耗對比

3.4 切屑形態(tài)

圖7為Inconel 718合金在干式和霧化噴液加工中產(chǎn)生的切屑。由于存在振動現(xiàn)象，干式加工時的切屑不穩(wěn)定，進給速度和切削速度的增加會增加刀尖附近的熱量，高溫會減少或消除積屑瘤(BUE)的形成，切屑鋸齒內(nèi)的內(nèi)部切屑變形和晶粒伸長是由加工區(qū)的局部切削溫度造成的。與干式加工相比，霧化切削液加工條件下生成的切屑較優(yōu)，刀—工、刀—屑之間的噴射提高了散熱率。

(a)vc=100m/min，f=0.04mm/r，ap=0.2mm

3.5 刀具壽命和刀具磨損

圖8為霧化噴射切削液和干式加工條件下的刀具壽命情況。以刀具后刀面磨損寬度達到0.2mm、刀具失效或崩刃、工件出現(xiàn)切屑或毛邊等方式評估刀具壽命，可以看出霧化噴射加工的刀具壽命要比干式加工的刀具壽命延長40%～60%。兩種加工條件下的刀具磨損情況如圖9所示，在兩種條件下的車削過程中，前刀面均產(chǎn)生了月牙洼磨損。在vc=100～200m/min的范圍內(nèi)檢測到斷裂擴展現(xiàn)象，這表明在加工Inconel 718合金過程中產(chǎn)生了較大應(yīng)力。

圖8 干式加工和霧化噴射加工刀具壽命對比

(a)vc=100m/min，f=0.04mm/r，ap=0.2mm

在所有加工參數(shù)中，與干式加工相比，霧化噴射加工產(chǎn)生的刀具缺口和凹坑磨損較小，這是由于噴霧冷卻劑能夠降低刀具界面區(qū)域的溫度，從而提高了刀具使用壽命。與干式加工相比，霧化噴射切削液加工出現(xiàn)的斷裂和擴散區(qū)域較小，在加工過程中帶走了部分切削熱，從而延長了刀具壽命。

3.6 加工成本分析

在金屬加工行業(yè)中，需要首先考慮加工成本。本文將Inconel 718合金的加工成本和刀具壽命視為重要的經(jīng)濟指標，雖然其他成本(如人工、刀具成本和刀具更換時間)與加工成本有關(guān)，但不在本研究考慮的范疇。當車削難加工材料時，加工成本尤為重要。

分別在干式加工和霧化噴射切削液加工兩種不同條件下進行車削作業(yè)。由于干式加工不需要冷卻劑，在加工Inconel 718過程中會產(chǎn)生較高的切削溫度，直接影響加工表面的粗糙度和刀具壽命，因而干式加工會增加整體的加工成本。采用霧化噴射切削液加工時，由于其功耗小，能顯著提高加工性能。通過以下指標進行加工成本估計。

加工時間為

(2)

式中，L為加工長度；f為進給量；N為轉(zhuǎn)速。

進給速度為

(3)

式中，D為切削直徑。

切削液用量為

Q=1.667Tm

(4)

刀片費用為200美元，刀架成本為120美元，每個鑲塊切削刃的平均數(shù)量為8個，刀架使用壽命中使用的切削刃數(shù)量為1000個。

(5)

式中，Tc為刀具成本；T為總時間，T≤5min；Rm為機械加工小時費率；RL為人工時薪；Tl為刀具壽命(min)。

材料去除率為

MRR=vc×f×ap(cm3/min)

(6)

根據(jù)上述公式計算可得，在干式加工條件下加工成本為0.63～4.33美元/cm3；在霧化噴霧切削液加工條件下，加工成本為0.31～3.05美元/cm3，如圖10所示，可以看出通過霧化噴射的加工方法，不僅節(jié)省了加工成本，而且獲得了良好的切削表面質(zhì)量。

圖10 干式加工和霧化噴射加工的成本對比

4 結(jié)語

以霧化噴射切削液加工方式為研究對象，對比分析其與干式加工方式的加工特性，主要結(jié)論如下。

(1)霧化噴射切削液加工方式的振動加速度比干式加工方式低14%～29%。在較高的切削速度和進給速度條件下，與干式加工方式相比，霧化噴射切削液加工方式由于產(chǎn)生更少的切屑，其振動加速度較低。

(2)在相同加工工藝條件下，霧化噴射切削液加工方式的表面粗糙度比干式加工方式的表面粗糙度減少17%～34%。霧化噴霧切削液加工方式減少了刀—工的摩擦作用，顯著降低了切削區(qū)產(chǎn)生的切削溫度，工件的剪切強度和刀具磨損也有所降低。

(3) 由于霧化噴射切削液的固體潤滑作用和刀具溫度的降低，顯著提升了刀具的使用壽命。霧化噴涂切削液加工方式比干式切削液加工成本低，且能實現(xiàn)良好的加工表面質(zhì)量。