冷風(fēng)靜電微量潤(rùn)滑換熱特性及其鈦合金銑削加工性能研究①

吳錫轉(zhuǎn) 劉福財(cái) 張若沖 胡曉冬 姚偉強(qiáng) 許雪峰

(浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 杭州 310023)

0 引言

鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、軍工等領(lǐng)域。然而,鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)和彈性模量小,加工過(guò)程中易出現(xiàn)切削溫度高和刀具粘附磨損嚴(yán)重[1]等問(wèn)題,影響其加工性能。目前,鈦合金切削加工大都采用澆注潤(rùn)滑,但大量使用切削液易引起環(huán)境污染,危害作業(yè)人員健康。研究人員嘗試采用微量潤(rùn)滑(minimum quantity lubrication,MQL)技術(shù)進(jìn)行鈦合金加工[2]。MQL 技術(shù)對(duì)易加工材料具有減少切削液用量,降低切削力和延長(zhǎng)刀具壽命[3-4]等優(yōu)點(diǎn),但加工鈦合金等難加工材料時(shí),存在冷卻性能不足、潤(rùn)滑失效[5]等問(wèn)題。針對(duì)MQL 的技術(shù)缺點(diǎn),國(guó)內(nèi)外研究人員提出了一些微量潤(rùn)滑增效技術(shù),如低溫微量潤(rùn)滑(cryogenic minimum quantity lubrication,CMQL)、冷風(fēng)微量潤(rùn)滑(cold air with minimum quantity lubrication,CAMQL) 和靜電微量潤(rùn)滑(electrostatic minimum quantity lubrication,EMQL)等。

CMQL 技術(shù)[6]利用液氮、液態(tài)CO2等冷卻介質(zhì)結(jié)合MQL,對(duì)切削區(qū)進(jìn)行冷卻潤(rùn)滑。蘇宇等人[7]使用CMQL 進(jìn)行鈦合金TC4(Ti-6Al-4V)銑削,發(fā)現(xiàn)CMQL 提高了潤(rùn)滑液的強(qiáng)迫對(duì)流換熱能力,降低了銑削溫度與銑削力,刀具的熱裂破損減弱。然而,液氮使用成本高,液氮MQL 過(guò)低的溫度還會(huì)導(dǎo)致鈦合金的加工硬化,造成切削力增大和刀具過(guò)度磨損[8]。CAMQL 技術(shù)[9]通過(guò)渦流管、半導(dǎo)體等制冷方式冷卻壓縮空氣,增強(qiáng)切削區(qū)的降溫能力。李吉林[10]利用CAMQL 技術(shù)進(jìn)行TC4 鈦合金車削,發(fā)現(xiàn)冷風(fēng)增強(qiáng)了潤(rùn)滑膜的承載能力,抑制了積屑瘤和鱗刺的形成,使工件表面質(zhì)量提高。對(duì)比CMQL,CAMQL 使用成本下降,但設(shè)備制冷效率較低,冷卻潤(rùn)滑綜合能力有待進(jìn)一步提高。

結(jié)合靜電噴霧技術(shù)和微量潤(rùn)滑技術(shù)而提出的EMQL 技術(shù),通過(guò)對(duì)潤(rùn)滑液接觸荷電,產(chǎn)生的荷電氣霧噴向切削加工區(qū),潤(rùn)滑冷卻刀/屑接觸界面[11]。Xu 等人[12]考察了EMQL 銑削304 不銹鋼時(shí)的加工性能,發(fā)現(xiàn)EMQL 技術(shù)促進(jìn)了吸附膜和氧化層的形成,減少了刀具與工件的摩擦以及工件材料在刀具表面的粘附,改善了工件表面質(zhì)量和刀具磨損。盡管EMQL 的冷卻換熱性能有一定程度的提高[13],課題組的前期研究和實(shí)踐表明,EMQL 的冷卻能力仍不能很好應(yīng)對(duì)鈦合金等難加工材料加工過(guò)程中產(chǎn)生的高溫問(wèn)題。

基于以上研究現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題,本文提出一種冷風(fēng)靜電微量潤(rùn)滑(cold air with electrostatic minimum quantity lubrication,CAEMQL) 技術(shù),結(jié)合CAMQL 的冷卻增強(qiáng)性能和EMQL 的潤(rùn)滑增強(qiáng)性能,通過(guò)對(duì)CAEMQL 技術(shù)的換熱特性和加工性能的分析研究,考察這種新工藝對(duì)鈦合金TC4 銑削加工的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 冷風(fēng)靜電微量潤(rùn)滑系統(tǒng)

冷風(fēng)靜電微量潤(rùn)滑系統(tǒng)原理圖如圖1 所示,系統(tǒng)由調(diào)壓閥、渦流管、儲(chǔ)液箱、蠕動(dòng)泵、靜電發(fā)生器、荷電座和噴嘴等組成。靜電微量潤(rùn)滑裝置為自研設(shè)備,蠕動(dòng)泵將儲(chǔ)液箱內(nèi)的潤(rùn)滑液輸送進(jìn)入潤(rùn)滑液管路,靜電發(fā)生器輸出的高壓負(fù)電使液管中的潤(rùn)滑液接觸荷電。渦流管將常溫壓縮空氣通過(guò)渦流變換分離成冷、熱兩股壓縮空氣,冷壓縮空氣進(jìn)入荷電座,并在噴嘴出口將潤(rùn)滑液霧化成低溫荷電氣霧。渦流管型號(hào)為AH20025(美國(guó)埃泰克公司),在室溫20 ℃、入口氣壓0.6 MPa 工況下,冷端出口能產(chǎn)生溫度為-5 ℃、氣壓為0.2 MPa 的冷風(fēng)作為冷卻介質(zhì)。

圖1 冷風(fēng)靜電微量潤(rùn)滑系統(tǒng)原理圖

1.2 冷風(fēng)靜電微量潤(rùn)滑換熱實(shí)驗(yàn)

1.2.1 瞬態(tài)換熱實(shí)驗(yàn)

瞬態(tài)換熱實(shí)驗(yàn)可揭示冷風(fēng)靜電微量潤(rùn)滑噴霧沖擊高溫壁面時(shí)的瞬時(shí)換熱特性,圖2 為瞬態(tài)換熱實(shí)驗(yàn)裝置原理圖。實(shí)驗(yàn)時(shí),啟動(dòng)電爐電源,電爐中設(shè)置的K 型熱電偶將采集到的溫度反饋至ST507 系列智能溫控儀(溫州上通儀表有限公司),溫控儀根據(jù)輸入溫度信號(hào)向固態(tài)繼電器輸出控制信號(hào),控制電爐電源的通斷,實(shí)現(xiàn)爐溫的恒溫控制。啟動(dòng)冷風(fēng)靜電微量潤(rùn)滑系統(tǒng),調(diào)整好各項(xiàng)參數(shù)(荷電電壓、氣壓、潤(rùn)滑液流量、噴嘴距離等),待噴霧穩(wěn)定后,快速抽走覆蓋在紫銅試件上的擋板,低溫荷電氣霧直接噴射到紫銅試件上表面,RX4006D 測(cè)溫儀(杭州美控自動(dòng)化技術(shù)有限公司)通過(guò)焊在紫銅試件上表面的熱電偶實(shí)時(shí)采集溫度,即可獲得換熱表面溫度變化曲線。換熱表面的臨界熱流密度可通過(guò)一維導(dǎo)熱的數(shù)值解析方法獲得。

圖2 瞬態(tài)換熱實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

1.2.2 穩(wěn)態(tài)換熱實(shí)驗(yàn)

穩(wěn)態(tài)換熱實(shí)驗(yàn)可用來(lái)研究冷風(fēng)靜電微量潤(rùn)滑噴霧沖擊加工區(qū)域時(shí)的換熱特性。圖3 為穩(wěn)態(tài)換熱實(shí)驗(yàn)裝置原理圖。使用低電壓、大電流交流電對(duì)鎳鉻合金片試件(10 mm×3 mm ×0.2 mm)持續(xù)加熱,模擬銑削加工熱源。鎳鉻合金片試件底部焊有K 型熱電偶,并與RX4006D 測(cè)溫儀連接,實(shí)時(shí)采集溫度。實(shí)驗(yàn)時(shí),首先啟動(dòng)冷風(fēng)靜電微量潤(rùn)滑系統(tǒng),待其噴霧穩(wěn)定后,逐漸增大電加熱裝置的輸入電壓,當(dāng)測(cè)溫儀測(cè)得換熱表面溫度達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),記錄試件表面溫度Tw,并利用數(shù)字萬(wàn)用表和電流表記錄試件兩端電壓值U和電流值I。由q=UI/A計(jì)算獲得試件表面熱流密度,其中A=0.3 mm2為試件表面積。試件表面的換熱系數(shù)可由h=q/(Tw-Tf) 計(jì)算得到,其中Tf為噴霧溫度。瞬態(tài)換熱實(shí)驗(yàn)及穩(wěn)態(tài)換熱實(shí)驗(yàn)時(shí),冷風(fēng)靜電微量潤(rùn)滑系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)依據(jù)前期實(shí)驗(yàn)優(yōu)化選取,實(shí)驗(yàn)條件如表1 所示。

表1 換熱實(shí)驗(yàn)噴霧參數(shù)

圖3 穩(wěn)態(tài)換熱實(shí)驗(yàn)裝置原理圖

1.3 冷風(fēng)靜電微量潤(rùn)滑銑削加工實(shí)驗(yàn)

在VDF-850 型立式數(shù)控銑床上進(jìn)行銑削加工實(shí)驗(yàn)研究,圖4 所示為銑削加工實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖。工件材料為鈦合金TC4,工件尺寸100 mm ×75 mm×70 mm。實(shí)驗(yàn)前,工件表面預(yù)先切除1 mm 厚度以保證工件加工表面性能一致。刀具采用APMT1604PDER-H08 硬質(zhì)合金涂層刀片(日本住友公司),刀柄為TAP400R-C32-35-200-3T 三齒刀柄,直徑為35 mm,每組實(shí)驗(yàn)均換用新刀片進(jìn)行測(cè)試。潤(rùn)滑液為水基切削液QC-3801(清華大學(xué)天津高端裝備研究所),以10%體積分?jǐn)?shù)兌水稀釋后用于實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件如表2 所示。

表2 銑削加工實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖4 銑削加工實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

采用FC3D120 型三向測(cè)力儀(上海耐創(chuàng)測(cè)試技術(shù)有限公司)測(cè)量各冷卻潤(rùn)滑條件下的銑削力。采用FOTRIC 226 型手持在線熱像儀(德國(guó)飛礎(chǔ)科公司)采集加工過(guò)程中銑削區(qū)的溫度。該方法屬于間接測(cè)量方法,雖然不能獲得銑削區(qū)的真實(shí)溫度,但可用于對(duì)比不同工況下的銑削溫度。使用SJ-210 型便攜式粗糙度測(cè)量?jī)x(日本三豐公司)測(cè)量加工工件表面的Ra值,測(cè)量過(guò)程中沿著銑削方向等距選取10 個(gè)測(cè)量點(diǎn)并計(jì)算平均值作為最終數(shù)據(jù)。采用VW-6000 光學(xué)顯微鏡(日本基恩士公司)觀測(cè)不同工況下的刀具后刀面磨損量,以刀具后刀面磨損量VB值達(dá)到300 μm 作為磨鈍標(biāo)準(zhǔn)。采用VHX-6000超景深三維顯微系統(tǒng)(日本基恩士公司)觀察切屑表面形貌。利用EVO18 掃描電子顯微鏡(SEM,德國(guó)卡爾蔡司公司)分析刀具磨損表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 冷風(fēng)靜電微量潤(rùn)滑的換熱特性

圖5 為不同工況下在氣霧噴射到紫銅試件表面時(shí)試件表面溫度變化曲線及其對(duì)應(yīng)的臨界熱流密度。可以看到,CAEMQL 工況下,試件表面溫度下降最快,其臨界熱流密度相比MQL、EMQL 及CAMQL分別提高了55.56%、30.23%及21.74%。低溫冷氣增大了紫銅試件表面與空氣之間的平均溫差,冷風(fēng)和低溫液滴接觸到高溫表面時(shí),迅速帶走大量熱量;同時(shí),荷電可減小液滴的粒徑與接觸角,增加了液滴與試件表面的接觸面積,提高了液滴的換熱效率,因此冷風(fēng)靜電微量潤(rùn)滑的瞬態(tài)換熱能力更強(qiáng)。

圖5 不同工況下氣霧的瞬態(tài)換熱特性

圖6 給出了不同工況下氣霧的穩(wěn)態(tài)換熱特性?？梢钥闯?CAEMQL 表現(xiàn)出最好的穩(wěn)態(tài)換熱能力。在換熱表面溫度為170 ℃時(shí),CAEMQL 工況下的表面熱流密度分別比MQL、EMQL 和CAMQL 提高了38.82%、16.42%和12.50%,穩(wěn)態(tài)換熱系數(shù)分別提高了34.67%、13.48%和10.99%。當(dāng)換熱表面溫度較低時(shí),熱量?jī)H能通過(guò)液膜傳導(dǎo)并從液膜表面蒸發(fā)散熱;隨著試件表面溫度上升,液膜產(chǎn)生氣泡,換熱形式從強(qiáng)迫對(duì)流蒸發(fā)過(guò)渡到核態(tài)沸騰,氣泡的生成與破裂帶走大量熱量[14]。EMQL 工況下,液滴荷電后表現(xiàn)出較小的粒徑與潤(rùn)濕角,使得液滴更易在試件表面鋪展,減少液膜厚度,接觸熱阻降低,液滴換熱效率提高。CAMQL 條件下,冷風(fēng)沖擊換熱表面,以及低溫液膜蒸發(fā),換熱系數(shù)顯著提高。結(jié)合了冷風(fēng)和荷電雙重增效的CAEMQL,冷風(fēng)增大了與鎳鉻合金片的溫差,小粒徑液滴接觸到高溫表面時(shí)更易汽化,換熱能力大幅增強(qiáng),因此其穩(wěn)態(tài)換熱性能更好。

圖6 不同工況下氣霧的穩(wěn)態(tài)換熱特性

2.2 冷風(fēng)靜電微量潤(rùn)滑的銑削加工性能

圖7(a)和(b)示出了不同冷卻潤(rùn)滑工況下的TC4 鈦合金的切向銑削力Fx和法向銑削力Fz變化情況?？梢?jiàn),荷電及低溫冷風(fēng)均可降低銑削力,效果最好的CAEMQL 對(duì)比MQL、EMQL 及CAMQL,其Fx分別下降了20.56%、15.14%及6.24%,Fz分別下降了16.85%、4.92%及7.16%。在荷電工況下,液滴在刀/屑和刀/工件接觸區(qū)具有較好的滲透性能,有利于形成承載能力更強(qiáng)的潤(rùn)滑膜,獲得良好的減摩抗磨效果,降低銑削力。在冷風(fēng)工況下,低溫冷卻效應(yīng)盡管一定程度上提高了工件材料的硬度,但同時(shí)降低了工件材料的塑性和韌性,減少工件材料在刀具表面的粘附,有利于降低刀具與工件、切屑的摩擦力,兩者的綜合影響在實(shí)驗(yàn)工況下表現(xiàn)出銑削力的降低。結(jié)合EMQL 與CAMQL 優(yōu)點(diǎn)的CAEMQL 在冷風(fēng)的冷卻和荷電液滴的潤(rùn)滑下,進(jìn)一步減輕了刀具與工件之間的摩擦與粘附,表現(xiàn)出更小的銑削力。

圖7 不同工況下的銑削加工性能

圖7(c)所示為不同冷卻潤(rùn)滑工況下的銑削溫度變化情況?？梢钥闯?CAEMQL 工況下的銑削溫度最低,對(duì)比MQL、EMQL 及CAMQL 分別下降了32.66%、27.04% 及4.27%。由換熱實(shí)驗(yàn)可知,CAEMQL 具有較高的熱流密度及換熱系數(shù),換熱性能較好。荷電液滴具有較小的粒徑和接觸角,在銑削過(guò)程中更多的液滴滲透進(jìn)入切削區(qū)參與潤(rùn)滑,改善了刀具與工件之間的摩擦狀況,減少了摩擦熱的產(chǎn)生;冷風(fēng)則提高了氣霧的對(duì)流換熱能力,抑制了銑削區(qū)的溫升,因此CAEMQL 工況下的銑削溫度最低。

圖7(d)所示為不同冷卻潤(rùn)滑工況下的工件表面粗糙度Ra值變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn),CAEMQL 工況下的工件表面光潔程度優(yōu)于其他工況,Ra值分別比MQL、EMQL 和CAMQL 減少了26.47%、17.81%和8.91%。在MQL 工況下,較高的銑削溫度導(dǎo)致工件材料較強(qiáng)的熱軟化效應(yīng),工件材料的塑性應(yīng)變及刀具的粘著磨損加劇,較大的銑削力也會(huì)使工件表面產(chǎn)生較深的劃痕,對(duì)工件表面質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。EMQL 工況下,荷電液滴的潤(rùn)滑增效能力減少了刀具與工件的劃擦,提高了工件表面質(zhì)量。CAMQL 的低溫氣體具有良好的冷卻效果,使刀具與工件之間的粘附減少,降低了銑削力;同時(shí)工件材料的脆性增加,切屑斷裂性更好,防止了切屑對(duì)已加工工件表面的損傷。CAEMQL 兼具EMQL 和CAMQL 的優(yōu)點(diǎn),荷電液滴持續(xù)滲透進(jìn)入切/屑界面毛細(xì)網(wǎng)絡(luò),低溫冷氣則降低刀具與工件之間的化學(xué)反應(yīng)性,防止切屑粘附,兩者協(xié)同作用,有效提高了工件表面質(zhì)量。

2.3 切屑形貌分析

切屑的形成是在銑削過(guò)程中切削載荷、材料斷裂與變形共同導(dǎo)致的結(jié)果。切屑由自由面、背面(與刀具前刀面接觸)、頂面以及底面組成[15]。切屑實(shí)物圖如圖8 所示,本文主要對(duì)切屑自由面及背面形貌特征進(jìn)行分析。

圖8 切屑的實(shí)物圖

圖9 所示為不同冷卻潤(rùn)滑工況下切屑自由面形貌及其法向表面輪廓線圖。可見(jiàn),各工況下切屑自由面均存在大量連續(xù)褶皺結(jié)構(gòu),以褶皺的頂高減去褶皺的根高作為褶皺的高度,其平均高度如圖10所示。CAEMQL 工況下褶皺的平均高度比MQL、EMQL 和CAMQL 分別減少了27.55%、18.03%和4.04%。褶皺是銑削過(guò)程中刀具與切屑擠壓引起的塑性變形導(dǎo)致,MQL 工況下較高銑削溫度帶來(lái)的熱軟化效應(yīng)導(dǎo)致材料韌性提高,在較大銑削力作用下,切屑材料周期性塑性堆積,褶皺高且清晰。在EMQL 和CAMQL 工況下,褶皺高度有所減少,這是由于荷電液滴良好的潤(rùn)滑性能有助于減少刀具、工件與切屑之間的摩擦,降低了銑削力,切屑形成過(guò)程的塑性堆積緩解;低溫冷卻效應(yīng)則降低了材料的塑性與韌性,一定程度提高了切屑的硬度,切屑形變減小。結(jié)合EMQL 和CAMQL 技術(shù)的CAEMQL 工況,冷風(fēng)和荷電潤(rùn)滑液的協(xié)同作用有效緩解切屑形成過(guò)程的塑性堆積,切屑褶皺起伏小。

圖9 不同工況下切屑的自由面形貌及其表面輪廓

圖10 不同工況下切屑的褶皺高度

圖11 所示為不同冷卻潤(rùn)滑工況下的切屑背面形貌?？梢钥闯?各工況下的切屑背面均有明顯劃痕。背面為切屑與刀具的前刀面接觸面,其劃痕是摩擦力和接觸壓力的作用結(jié)果[16]。在MQL 工況下,較大的銑削力導(dǎo)致切屑背面較深的劃痕,并呈現(xiàn)刀屑摩擦導(dǎo)致的撕裂痕跡,較高的銑削溫度導(dǎo)致藍(lán)紫色的高溫?zé)齻圹E,反映出其較差的銑削性能。在EMQL 工況下,得益于荷電液滴較強(qiáng)的滲透潤(rùn)滑能力,刀具與切屑之間的摩擦作用減弱,劃痕形變有所緩和。CAMQL 工況下,冷風(fēng)降低了切削區(qū)的溫度,切屑硬度提高,與刀具的粘著減少,表現(xiàn)出劃痕變淺和撕裂痕跡變小的特點(diǎn)。CAEMQL 在CAMQL的基礎(chǔ)上對(duì)液滴進(jìn)行了荷電,在冷卻和潤(rùn)滑增效作用下,劃痕更淺,撕裂痕跡更少,說(shuō)明冷風(fēng)和切削液荷電的協(xié)同作用有效改善了切削區(qū)的摩擦情況,提高了銑削性能。

圖11 不同工況下切屑的背面形貌

2.4 刀具磨損機(jī)理分析

圖12 為不同工況下刀具后刀面磨損量隨銑削長(zhǎng)度增加的變化進(jìn)程,圖13 給出了不同銑削長(zhǎng)度及VB值達(dá)到300 μm 時(shí)的刀具后刀面磨損面光學(xué)顯微照片。從圖12 可以看出,CAEMQL 工況的刀具壽命最長(zhǎng),其有效銑削長(zhǎng)度分別比MQL、EMQL 和CAMQL 增加了41.18%、14.29%和26.32%。冷風(fēng)靜電條件下銑削力、銑削溫度最小,對(duì)保護(hù)刀具起到重要作用。從圖13可以看出,在銑削長(zhǎng)度1000 mm時(shí),各工況下的切削刃上均出現(xiàn)不同程度的工件材料粘附,表明刀具的磨損機(jī)制以粘著磨損為主。在銑削長(zhǎng)度達(dá)到2000 mm 時(shí),MQL 及EMQL 就已出現(xiàn)切削刃鈍化現(xiàn)象,刀具后刀面磨損開(kāi)始加快,進(jìn)入快速磨損階段。此時(shí)CAMQL 刀具后刀面磨損量小于MQL 和EMQL,說(shuō)明冷風(fēng)降低了銑削溫度,能有效保持刀具的強(qiáng)度,明顯減少與銑削溫度密切相關(guān)的粘著磨損。從圖12 中還可看出,在銑削長(zhǎng)度達(dá)到2800 mm時(shí),EMQL 的刀具磨損量反而小于CAMQL,說(shuō)明刀具進(jìn)入快速磨損階段后,EMQL 較強(qiáng)的潤(rùn)滑促進(jìn)特性緩解了磨損面的擴(kuò)展,在銑削長(zhǎng)度3000 mm 時(shí),EMQL 工況的刀具磨損量已低于CAMQL,如圖13 所示。CAEMQL 則充分發(fā)揮了EMQL 潤(rùn)滑效果好與CAMQL 冷卻效果佳的協(xié)同作用,刀具的使用壽命有效提高。

圖12 不同工況下刀具后刀面磨損量隨銑削長(zhǎng)度的變化進(jìn)程

圖13 不同工況下刀具后刀面磨損面變化進(jìn)程的光學(xué)顯微照片

不同冷卻潤(rùn)滑工況下在銑削長(zhǎng)度為2000 mm時(shí)刀具后刀面的SEM 圖如圖14 所示。從圖14(a)可見(jiàn),MQL 工況下刀具切削刃出現(xiàn)了微裂紋及微崩刃。這是因?yàn)镸QL 工況下銑削力和銑削溫度較高,隨著刀齒的切入和切出,刀具承受著交替變化的熱應(yīng)力和接觸應(yīng)力,易引起應(yīng)力疲勞[17],伴隨切削刃裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展,最終導(dǎo)致刀具局部崩刃,影響了刀具壽命。由圖14(b)可見(jiàn),EMQL 工況下沒(méi)有觀察到裂紋及崩刃,但在后刀面上較早地形成了月牙洼形的磨損形貌。這是因?yàn)橥繉硬牧吓c刀具基體之間的線膨脹系數(shù)不同,在加工過(guò)程中由溫度變化導(dǎo)致的形變量不同,致使涂層表面存在殘余應(yīng)力,易引起涂層剝落。刀具涂層脫落后,刀具基體與工件直接摩擦并粘附,伴隨粘附層的剝落刀具材料被帶走,導(dǎo)致刀具后刀面上形成凹坑即月牙洼磨損。CAMQL工況下的刀具表面形貌如圖14(c)所示,可觀察到刀具存在較窄的工件材料粘附層和少量涂層剝落,這是由于冷氣降低了銑削溫度,減輕了刀具及工件材料的熱軟化及粘附。圖14(d)為CAEMQL 工況下的刀具表面磨損形貌,相比CAMQL,其切削刃表面更為光滑、粘附層更少,說(shuō)明在荷電液滴的潤(rùn)滑下,刀具與工件之間摩擦力減小,磨損更加均勻;同時(shí),冷風(fēng)減少了切削區(qū)的溫度變化,刀具表面熱應(yīng)力降低,并且冷風(fēng)增加了潤(rùn)滑液的粘度,增強(qiáng)了潤(rùn)滑膜的承載能力,協(xié)同增強(qiáng)效應(yīng)使CAEMQL 工況的刀具磨損量最小,壽命更長(zhǎng)。

圖14 不同工況下刀具后刀面SEM 圖

3 結(jié)論

本文采用冷風(fēng)靜電微量潤(rùn)滑技術(shù)進(jìn)行換熱實(shí)驗(yàn)及鈦合金TC4 銑削實(shí)驗(yàn),得出如下結(jié)論。

(1)低溫冷風(fēng)增大了與換熱試件間的溫差,對(duì)流換熱能力提高;切削液荷電后液滴粒徑和接觸角減小,與換熱試件的接觸面積提高,蒸發(fā)換熱效率增強(qiáng),導(dǎo)致冷風(fēng)荷電氣霧的臨界熱流密度和穩(wěn)態(tài)換熱系數(shù)提高,換熱性能增強(qiáng)。

(2)冷風(fēng)靜電微量潤(rùn)滑銑削鈦合金TC4 時(shí),冷風(fēng)介質(zhì)的低溫冷卻效應(yīng)有利于材料由塑性向脆性轉(zhuǎn)變,荷電切削液的潤(rùn)滑增強(qiáng)效應(yīng)降低了刀/屑間的摩擦,兩者協(xié)同導(dǎo)致切屑自由面的塑性變形減小,周期性褶皺高度降低;切屑背面劃痕淺,撕裂減弱。

(3)鈦合金TC4 銑削過(guò)程中,冷風(fēng)靜電微量潤(rùn)滑工況下的銑削力、銑削溫度和工件表面粗糙度Ra值相比微量潤(rùn)滑分別下降了33.75%、32.66% 和26.47%;冷風(fēng)靜電微量潤(rùn)滑可有效減輕刀具的粘著磨損,延長(zhǎng)刀具壽命。