鈦合金銑削加工中MQL參數(shù)優(yōu)化與切削性能研究*

戎 杰，牛秋林，高 航，荊 露，唐思文，張深圳

（1. 湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湘潭 411201；2. 湖南科技大學(xué)機(jī)械設(shè)備健康維護(hù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭 411201；3. 中國(guó)航發(fā)湖南南方宇航工業(yè)有限公司，株洲 412000）

鈦合金材料具有密度低、強(qiáng)度高、抗腐蝕、耐高溫等優(yōu)良性能，在航空航天飛行器整體葉盤、葉輪和骨架等關(guān)鍵部件應(yīng)用廣泛[1]。然而，鈦合金具有變形系數(shù)低、導(dǎo)熱性差和單位接觸面積的切削力大等缺點(diǎn)，導(dǎo)致其在切削過程中容易出現(xiàn)較高切削溫度和劇烈的刀具磨損。此外，加工表面質(zhì)量和加工精度差、效率低、切削環(huán)境污染等都是鈦合金材料切削加工中存在的難題[2]。為了減少刀具磨損、提高工件表面質(zhì)量并改善切削環(huán)境，開展新型可持續(xù)清潔切削技術(shù)的研究得到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注。微量潤(rùn)滑 （Minimal quantity lubrication，MQL）技術(shù)將壓縮氣體與切削液混合霧化后噴射至切削區(qū)域，通過在界面上形成一層致密的油膜，以降低刀具–切屑、刀具–工件接觸界面的摩擦和切削溫度[3]。因此，MQL 技術(shù)能有效延緩鈦合金切削過程中的刀具磨損并改善表面質(zhì)量[4]。

近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者開始通過數(shù)值仿真和霧化特性試驗(yàn)來揭示MQL 系統(tǒng)參數(shù)對(duì)冷卻潤(rùn)滑性能的影響，以求提高M(jìn)QL 系統(tǒng)的性能。在噴霧特性方面，湯昌羽[5]通過Fluent 仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴射距離為20 mm 時(shí)，霧化效果最好；Zhu 等[6]通過CFD 仿真分析對(duì)MQL 銑削過程中噴嘴距離對(duì)MQL 液滴傳輸率進(jìn)行研究，得出不同轉(zhuǎn)速下的臨界噴射范圍；梁旭[7]利用Fluent 仿真分析鉆頭內(nèi)冷孔結(jié)構(gòu)和霧化參數(shù)對(duì)流場(chǎng)的影響，并結(jié)合試驗(yàn)對(duì)霧化參數(shù)和內(nèi)冷孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；孔曉瑤等[8]通過試驗(yàn)研究了微量潤(rùn)滑系統(tǒng)參數(shù)對(duì)霧化特性的影響，發(fā)現(xiàn)噴射距離為主要影響因素，當(dāng)噴射距離在40 ～ 50 mm 范圍內(nèi)時(shí)能獲得較好的霧化效果；此外，袁松梅等[9]通過試驗(yàn)研究表明噴射距離是影響切削性能的主要因素。在冷卻潤(rùn)滑性能方面，Park 等[10]對(duì)比MQL 與液氮冷卻 （LN2）對(duì)鈦合金銑削性能的影響，發(fā)現(xiàn)在切削的初始階段，MQL 與LN2 均能降低刀具磨損，但隨著時(shí)間的增加，采用LN2 方法會(huì)導(dǎo)致鈦合金硬化，從而加劇刀具磨損；Qin 等[11]在TC11 的車削過程中發(fā)現(xiàn)，采用MQL 加工可減少刀具表面的材料沉積，并抑制刀刃崩碎和涂層剝離，提高刀具壽命；在MQL 條件下，Al2O3/TiAlN 涂層刀具的使用壽命可延長(zhǎng)至88.4%，而金剛石涂層刀具卻可以獲得最為光潔的表面；Khatri 等[12]研究了不同冷卻潤(rùn)滑條件下鈦合金銑削刀具磨損機(jī)制，發(fā)現(xiàn)MQL 條件下切削刃的崩碎與刀具表面的切屑黏結(jié)現(xiàn)象明顯減少。因此，微量潤(rùn)滑切削方法對(duì)提高TC4 材料的切削加工性是有益的。

油膜附水滴微量潤(rùn)滑方法 （OoWMQL）作為一種新型的微量潤(rùn)滑方法，是一種清潔的切削技術(shù)。OoWMQL方法是將高壓空氣、水和植物油混合形成復(fù)合噴射，在改善40Cr 合金結(jié)構(gòu)鋼和TC4 鈦合金等材料的切削力和表面粗糙度方面具有良好的性能[13–14]。梁旭[15]和Cai[16]等將超臨界CO2（scCO2）和OoW 混合，提高了冷卻潤(rùn)滑性能，從而改善切削力、切削溫度和表面質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。目前，關(guān)于OoWMQL 系統(tǒng)參數(shù)對(duì)冷卻潤(rùn)滑性能影響的研究相對(duì)較少。采用OoWMQL 技術(shù)，對(duì)MQL系統(tǒng)參數(shù)和刀具運(yùn)動(dòng)耦合作用下鈦合金銑削性能的研究也較為缺乏。

為了探究OoWMQL 方法在TC4 鈦合金銑削加工中的適用性，本文利用Ansys Fluent 軟件對(duì)刀具高速旋轉(zhuǎn)引起的空氣擾動(dòng)和切削區(qū)域壓力分布進(jìn)行了分析。分析了不同MQL 參數(shù)的冷卻潤(rùn)滑效果和切削液的滲透機(jī)理。然后，通過試驗(yàn)研究了OoWMQL 參數(shù)對(duì)鈦合金銑削力的影響。進(jìn)一步對(duì)比分析了干切削、水基微量潤(rùn)滑 （WMQL）和OoWMQL 3 種不同加工工藝下獲得的試驗(yàn)結(jié)果。通過分析切削力、表面粗糙度和加工表面形貌的試驗(yàn)現(xiàn)象，研究了TC4 鈦合金在上述3 種不同加工方法下的可加工性，給出了上述加工方法對(duì)鈦合金銑削加工適應(yīng)性的研究結(jié)論。

1 仿真分析

在銑削過程中，刀具高速旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致其周圍的空氣高速流動(dòng)，阻礙了MQL 中噴出的混合霧滴到達(dá)切削區(qū)域。為探究合理的MQL 噴嘴位置參數(shù)以及混合霧滴滲透機(jī)理，本文建立了一個(gè)四刃銑削物理模型，如圖1 所示。仿真模型采用三維雙精度求解器進(jìn)行求解，使用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon 模型進(jìn)行計(jì)算 （選擇Standard Wall Functions），流場(chǎng)介質(zhì)設(shè)置為空氣。

外流域邊界設(shè)置為壓力出口，工件表面設(shè)置為固定壁面，刀具設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，轉(zhuǎn)速為3000 r/min。刀具直徑為10 mm，螺旋角為38°。工件尺寸為50 mm×30 mm×5 mm，外流域直徑和高度均為95 mm。

圖2 表明貼近刀具表面的空氣流速最大，其流動(dòng)方向與刀具旋轉(zhuǎn)的切向方向相同，在刀具表面形成環(huán)形繞流，成為阻礙霧滴進(jìn)入的“空氣屏障”。為保證霧滴順利穿過屏障，霧滴必須具有較大的速度射向切削區(qū)域。減小噴射距離可以使霧滴獲得較高的運(yùn)動(dòng)速度，從而到達(dá)切削區(qū)域。經(jīng)測(cè)量，空氣屏障厚度為5 mm，為保證霧滴的初始運(yùn)動(dòng)方向不受空氣擾動(dòng)的影響，噴嘴應(yīng)放置于空氣屏障外。根據(jù)以往研究，油霧濃度在距離噴嘴10 mm 時(shí)達(dá)到最大[5]，因此噴射距離應(yīng)不低于10 mm。從圖2 中還可以發(fā)現(xiàn)，前刀面的空氣流速最大可達(dá)1.47 m/s，而后刀面的空氣流速僅為前刀面的50%左右，這表明切削液更難到達(dá)前刀面。此外，由于環(huán)形繞流的存在，單噴嘴難以保證切削液覆蓋整個(gè)切削區(qū)域。因此，本文選擇雙噴嘴MQL 系統(tǒng)，噴嘴1 垂直于進(jìn)給方向，噴嘴2 與進(jìn)給方向夾角為70°，以保證切削液可以為刀具–工件和刀具–切屑界面提供有效的冷卻潤(rùn)滑。

圖2 刀具X – Y 截面空氣流場(chǎng)速度矢量圖Fig.2 Velocity vector diagram of air flow field of tool X – Y section

刀具周圍的空氣流場(chǎng)會(huì)影響噴嘴的最佳噴射角度，圖3 展示了兩個(gè)噴嘴所在截面的空氣流場(chǎng)分布情況。可以看出，最上方的空氣屏障會(huì)阻礙切削液進(jìn)入切削區(qū)域。因此，噴嘴軸線不應(yīng)直接穿越空氣屏障，而應(yīng)該與之相切，如圖3（a）所示。此外，在靠近切削區(qū)域的流場(chǎng)中存在運(yùn)輸流，其流動(dòng)方向指向切削區(qū)域，可以起到輔助運(yùn)輸切削液的作用，如圖3（b）所示。因此，噴嘴的最佳噴射角度為30°左右，此時(shí)可以避免空氣屏障的阻礙作用，也能借助運(yùn)輸流的輔助運(yùn)輸作用，保證更多的切削液能到達(dá)切削區(qū)域。

圖3 噴嘴截面流場(chǎng)速度矢量圖Fig.3 Velocity vector diagram of nozzle section flow field

從圖4 可以看出，前刀面表現(xiàn)出正壓力，而后刀面表現(xiàn)為負(fù)壓力。其中，后刀面與工件表面之間形成了“負(fù)壓力梯度”區(qū)域，如圖5 所示。當(dāng)高壓氣體與霧滴突破銑刀高速旋轉(zhuǎn)造成的“空氣屏障”之后，在壓差作用下被迅速“吸入”負(fù)壓區(qū)域，使得切削液到達(dá)刀具–工件的接觸邊界。此外，分布在負(fù)壓區(qū)域的切削油霧，在下一個(gè)切削刃轉(zhuǎn)動(dòng)到當(dāng)前位置時(shí)吸附在前刀面上，從而抵達(dá)刀具–切屑的接觸界面。

圖4 刀具X – Y 截面壓力分布云圖Fig.4 Tool X – Y section pressure distribution nephogram

圖5 底刃后刀面與工件表面間靜壓力分布云圖Fig.5 Static pressure distribution nephogram between tool flank of end edge and workpiece surface

OoWMQL 方法的滲透潤(rùn)滑機(jī)理如圖6 所示，當(dāng)混合霧狀切削液進(jìn)入刀具–切屑、刀具–工件之間的三角形區(qū)域后，在高溫作用下，部分水滴以及油滴表層受熱蒸發(fā)汽化，油滴體積變小。因此三角區(qū)包含有切削油蒸汽、水蒸氣、油滴、水滴和壓縮空氣。根據(jù)三角區(qū)壓力分布以及刀具和工件、切屑之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)使得靠近刀具表面的油滴混合物朝著接觸邊界運(yùn)動(dòng)，到達(dá)接觸邊界后，水滴在高溫作用下吸熱汽化，剩下的油膜在毛細(xì)管的虹吸作用下進(jìn)入到刀具–切屑的接觸界面進(jìn)行潤(rùn)滑，降低接觸界面的摩擦，從而進(jìn)一步降低銑削力。而靠近切屑、工件表面的油滴混合物則隨著切削的進(jìn)行被帶離切削區(qū)域。

圖6 OoWMQL 滲透潤(rùn)滑機(jī)理Fig.6 Penetration lubrication mechanism of OoWMQL

2 試驗(yàn)方案

2.1 工件材料與刀具

工件材料為鈦合金TC4 板材，尺寸為50 mm×30 mm×20 mm，化學(xué)成分如表1 所示。選用刀具為AlTiN涂層硬質(zhì)合金四刃立銑刀 （VSM–4E–D10.0），刀具直徑為10 mm，前角為5°，螺旋角為38°，如圖7 所示。

表1 TC4 化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of TC4 (mass fraction) %

圖7 AlTiN 涂層硬質(zhì)合金端銑刀（mm）Fig.7 AlTiN coated alloy end milling cutter (mm)

2.2 試驗(yàn)過程

銑削試驗(yàn)在KVC800 三軸數(shù)控銑床上進(jìn)行，通過虎鉗將工件安裝在KISTER 9253B 測(cè)力儀平臺(tái)上。MQL系統(tǒng)采用兩個(gè)外置噴嘴，位于進(jìn)給方向兩側(cè)且與進(jìn)給方向夾角分別為90°和70°。MQL 系統(tǒng)氣壓為0.7 MPa，氣體流量為40 L/min。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)WMQL 和OoWMQL 兩種試驗(yàn)獨(dú)立開展。WMQL 中的切削液是防凍水基切削液，流量保持92 mL/h 不變，OoWMQL 中的潤(rùn)滑油為植物油基微量潤(rùn)滑油，試驗(yàn)裝置如圖8 所示。

圖8 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.8 Schematic diagram of experimental device

端銑試驗(yàn)均為順銑，分為兩部分進(jìn)行。

（1） MQL 系統(tǒng)銑削工藝參數(shù)優(yōu)選試驗(yàn)。

首先在固定的切削參數(shù)下（vc= 100 m/min，fz= 0.04 mm/z，ae= 5 mm，ap= 1 mm），以噴嘴角度、潤(rùn)滑油流量和噴射距離為變量進(jìn)行3 因素4 水平正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)，對(duì)MQL 系統(tǒng)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，試驗(yàn)參數(shù)如表2 所示。潤(rùn)滑介質(zhì)為油膜附水滴切削液，其中防凍水基切削液流量保持92 mL/h 恒定。

表2 MQL 系統(tǒng)工藝參數(shù)設(shè)計(jì)Table 2 Process parameters design of MQL system

（2）鈦合金清潔切削工藝對(duì)比試驗(yàn)。

獲取最佳MQL 系統(tǒng)參數(shù)后，在不同切削速度 （100 m/min、120 m/min）和不同進(jìn)給量下 （0.025 mm/z、0.04 mm/z、0.055 mm/z、0.07 mm/z）進(jìn)行全因素試驗(yàn)，對(duì)比干式銑削 （干切削）、WMQL 和OoWMQL 3 種加工方法下鈦合金的銑削加工性。

采用KISTER 9253B 測(cè)力儀實(shí)時(shí)測(cè)量銑削過程中的三向切削力FX、FY和FZ。利用JITAI820 表面粗糙度儀測(cè)量加工表面的粗糙度，測(cè)量時(shí)每組切削參數(shù)下沿著進(jìn)給方向測(cè)量5 個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后取平均值，并采用掃描電子顯微鏡 （SU3500）對(duì)加工表面進(jìn)行觀察。

3 結(jié)果與分析

3.1 MQL 系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)選

切削力與切削區(qū)域的摩擦直接相關(guān)，其大小直接反映了切削過程中刀具–工件和刀具–切屑接觸區(qū)域的摩擦環(huán)境，也間接反映了MQL 液滴滲透至接觸界面并提供潤(rùn)滑的效果[17–18]，是評(píng)價(jià)MQL 液滴滲透潤(rùn)滑性能的主要評(píng)價(jià)指標(biāo)。因此，本文以切削力為目標(biāo)，評(píng)價(jià)不同MQL 系統(tǒng)參數(shù)對(duì)潤(rùn)滑性能的影響。

各MQL 系統(tǒng)參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律如圖9 所示。從圖9（a）可以看出，噴嘴與水平面夾角為30°時(shí)切削力最低。當(dāng)MQL 射流方向與水平面夾角為30°左右時(shí)，流場(chǎng)中的空氣流動(dòng)可以輔助混合霧滴運(yùn)動(dòng)到切削區(qū)域，進(jìn)而滲透到刀具–工件的接觸界面，起到潤(rùn)滑與減摩作用，這與仿真結(jié)果相符。當(dāng)夾角低于30°時(shí)，由于霧化場(chǎng)直徑隨著噴射距離的增大而逐漸增大[19]，大量混合霧滴會(huì)噴灑在切削區(qū)域周圍的工件表面上。當(dāng)夾角高于30°時(shí)，大量混合霧滴在空氣流場(chǎng)作用下噴灑在切削區(qū)域上方的刀具表面上，從而降低潤(rùn)滑效果。因此，夾角高于30°或低于30°時(shí)都會(huì)降低減摩效果，導(dǎo)致切削力較高。

圖9 不同MQL 系統(tǒng)參數(shù)下銑削力的變化規(guī)律Fig.9 Variation of milling force under different MQL system parameters

同時(shí)，切削力隨著微量潤(rùn)滑油流量的增大而減小，如圖9（b）所示。當(dāng)流量達(dá)到65 mL/h 后，其對(duì)切削力的影響逐漸變小，達(dá)到135 mL/h 時(shí)切削力最低。繼續(xù)增大流量對(duì)降低切削力沒有明顯的促進(jìn)作用，甚至出現(xiàn)切削力略微增大的趨勢(shì)，這與Liu 等[17]的結(jié)論相似?？讜袁幍萚8]發(fā)現(xiàn)當(dāng)空氣流量為60 L/min 時(shí)，霧滴顆粒平均直徑隨著切削液流量的增大而增大。這是因?yàn)楫?dāng)空氣流量較小時(shí)，增大切削液流量會(huì)減弱氣液兩相作用，降低霧滴的破碎霧化效果。而本文中空氣流量為40 L/min，切削液流量對(duì)霧滴粒徑的影響更為顯著。然而，過大粒徑的霧滴到達(dá)刀具–工件的接觸邊界后無法快速進(jìn)入毛細(xì)管，進(jìn)而降低了冷卻潤(rùn)滑效果。

另一方面，從圖9（c）可以看出，切削力隨著噴射距離的增加而增加，當(dāng)噴射距離為10 mm 時(shí)，切削力最低。噴射距離越小，霧滴的速度越大，便能保證更多的混合霧滴能有效穿越“空氣屏障”，到達(dá)切削區(qū)域。但若是噴射距離太短，則容易使得油滴霧化程度達(dá)不到最佳效果。劉紹彥等[20]研究發(fā)現(xiàn)，霧粒粒徑隨著噴射距離的增大而減小。這是由于高壓空氣導(dǎo)致霧滴進(jìn)行二次霧化，進(jìn)一步降低了粒徑。但是隨著噴射距離增加，霧滴的速度也隨之降低。兩相對(duì)比表明，相比顆粒粒徑，顆粒運(yùn)動(dòng)速度才是影響MQL 冷卻潤(rùn)滑效果的主要因素。

根據(jù)銑削試驗(yàn)結(jié)果，獲得了適合銑削TC4 鈦合金的MQL系統(tǒng)參數(shù)：噴射角度30°、潤(rùn)滑油流量135 mL/h、噴射距離10 mm。

3.2 不同清潔切削工藝對(duì)比分析

3.2.1 切削力

圖10 呈現(xiàn)了干切削、WMQL 和OoWMQL 3 種不同條件下的切削力FX、FY和FZ隨不同切削速度和進(jìn)給量的變化情況。在兩種切削速度下，進(jìn)行干切削和WMQL 銑削時(shí)，3 個(gè)方向的分力隨著切削速度的增大而增大。這主要是由于鈦合金材料的高應(yīng)變硬化效應(yīng)導(dǎo)致剪切區(qū)的變形抗力增大，從而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)切削力增大[21]。但采用OoWMQL方法加工時(shí)，在進(jìn)給量較低的情況下，切削力隨切削速度的增大而增大；在進(jìn)給量較高時(shí)，F(xiàn)Y隨著切削速度的增大略微降低。這是由于鈦合金在切削過程中產(chǎn)生的高溫使其強(qiáng)度降低，高速切削時(shí)切除單位體積材料所需能耗降低，同時(shí)OoWMQL 條件下對(duì)刀具–工件和刀具–切屑界面的有效潤(rùn)滑降低了摩擦力。

圖10 不同切削速度下進(jìn)給量對(duì)切削力的影響規(guī)律Fig.10 Effect of feed rate on cutting force under different cutting speeds

從圖10 中還可以發(fā)現(xiàn)，在兩種切削速度下，3 種冷卻潤(rùn)滑方法的FX、FY和FZ均隨著進(jìn)給量的增加而增大。這是由于進(jìn)給量的增大導(dǎo)致切削厚度增大，從而引起切削力增大[22]。在低速、低進(jìn)給時(shí)，相比干切削，采用WMQL 方法和OoWMQL 方法均能大幅降低切削力。當(dāng)vc= 100 m/min、fz= 0.025 mm/z 時(shí)，WMQL 方法相比干切削，F(xiàn)X、FY和FZ分別降低為24%、23%和28%。但隨著進(jìn)給量逐漸增大，WMQL 方法對(duì)切削力的降低效果減弱。當(dāng)vc= 120 m/min、fz= 0.07 mm/z 時(shí)，相比干切削，WMQL 方法對(duì)切削力FX、FY、FZ的降低幅度分別為3%、13%和11%；而OoWMQL 方法的相對(duì)降低幅度分別為34%、41%和42%。這是因?yàn)椴捎肳MQL 方法進(jìn)行鈦合金切削時(shí)，切削速度和進(jìn)給量增大導(dǎo)致切削溫度急劇升高，使得切削區(qū)域的大部分切削液霧滴在還未滲透到接觸邊界時(shí)便迅速蒸發(fā)汽化，從而無法為刀具–切屑和刀具–工件接觸界面提供有效的潤(rùn)滑。相比之下，采用OoWMQL 方法時(shí)，其切削力在所有切削參數(shù)下均顯著低于干切削。這也證明優(yōu)化后的OoWMQL 方法比WMQL 方法具有更優(yōu)越的冷卻潤(rùn)滑性能，即使是在高速、高進(jìn)給時(shí)也能為刀具–切屑和刀具–工件接觸界面提供持續(xù)潤(rùn)滑。當(dāng)vc= 120 m/min、fz= 0.04 mm/z 時(shí)，OoWMQL 方法的潤(rùn)滑效果最好，各方向切削力降低幅度最大。

3.2.2 表面粗糙度

在3 種冷卻潤(rùn)滑條件下，切削速度和進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響如圖11 所示。隨著每齒進(jìn)給量增大，3 種冷卻潤(rùn)滑條件下的表面粗糙度均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。這是由于每齒進(jìn)給量增大，材料去除量增大，導(dǎo)致切削力增大，進(jìn)而增大表面粗糙度[23]。還可以發(fā)現(xiàn)，所有參數(shù)下OoWMQL 方法的表面粗糙度均遠(yuǎn)低于干切削和WMQL 方法，在高速、高進(jìn)給時(shí)其降低幅度尤為明顯。這歸因于OoWMQL 方法更加優(yōu)越的冷卻潤(rùn)滑性能。在鈦合金切削過程中，混合霧滴滲入到切屑自由側(cè)的微裂紋內(nèi)，抑制微焊效應(yīng)[3]，使得切屑更容易發(fā)生卷曲，減小刀具–切屑的接觸長(zhǎng)度，進(jìn)而促進(jìn)切屑與前刀面分離。而切屑與前刀面的分離使得刀–屑接觸長(zhǎng)度減小并促進(jìn)混合霧滴滲入切削變形區(qū)，從而達(dá)到減小摩擦并增強(qiáng)散熱的效果。此外，氣霧混合物滲入刀具–工件接觸界面并形成潤(rùn)滑油膜，從而減小接觸界面的滑動(dòng)摩擦，有效改善了表面質(zhì)量。

圖11 不同冷卻潤(rùn)滑條件下進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響Fig.11 Effect of feed rate on surface roughness under different cooling lubrication conditions

3.2.3 表面形貌

當(dāng)vc= 100 m/min、fz= 0.025 mm/z 和fz= 0.07 mm/z 時(shí)，不同冷卻潤(rùn)滑方式下的鈦合金加工表面形貌如圖12 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，鈦合金銑削加工表面形貌缺陷主要有進(jìn)給刀痕、顆料黏附和表面劃痕[24]。從圖12 可以觀察到，進(jìn)給刀痕和顆料黏附在3 種冷卻潤(rùn)滑方式下均存在，但這兩種缺陷在干切削條件下最為明顯，WMQL 條件下次之，在OoWMQL 條件下得到顯著改善。在干切削條件下顆料黏附最為嚴(yán)重，且體積較大；在WMQL 條件下，顆料黏附的數(shù)量與體積均有所降低；在OoWMQL條件下，僅出現(xiàn)少量微小顆料黏附，OoWMQL 條件下得到的加工表面最為光潔。

圖12 不同冷卻潤(rùn)滑條件下加工表面形貌Fig.12 Surface topography under different cooling and lubrication conditions

4 結(jié)論

本文研究了MQL 參數(shù)對(duì)冷卻潤(rùn)滑效果的影響，并進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選。基于此，對(duì)比了不同冷卻潤(rùn)滑條件下的鈦合金銑削性能，得出如下結(jié)論。

（1）噴射角度與水平面夾角為30°時(shí)為臨界角度，此時(shí)切削力最低。切削力隨著潤(rùn)滑油流量增大而降低，隨噴射距離的增大而增大。最佳MQL 參數(shù)組合為：噴射角度30°，潤(rùn)滑油流量135 mL/h，噴射距離10 mm。

（2）3 種冷卻潤(rùn)滑條件下，切削力均隨著每齒進(jìn)給量的增大而增大。相比WMQL，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)選后的OoWMQL 方法在高速、高進(jìn)給時(shí)依然具有良好的潤(rùn)滑效果，能顯著降低切削力。

（3）在所有參數(shù)下，OoWMQL 方法獲得了最低的表面粗糙度，相比干切削和WMQL 有顯著改善，在高速、高進(jìn)給狀態(tài)下體現(xiàn)尤為明顯。此外，相比干切削和WMQL條件下產(chǎn)生的進(jìn)給痕跡和顆粒黏附，OoWMQL 方法得到的加工表面最為光潔。