鈦合金綠色切削加工工藝優化研究

林海生,王成勇,李偉秋,梁賜樂,徐東區,謝奕彬,甄鐵城,馮杰,李喆,洪圳

1廣東工業大學機電工程學院;2匯?？萍技瘓F股份有限公司

1 引言

鈦合金具有高比強度、高耐腐蝕性和良好生物相容性等優異的綜合性能[1,2],在航空航天[3]、汽車、醫療[4,5]等多個領域被廣泛應用。然而,因鈦合金較高硬度、低熱導率和高化學反應性相關特性,在高速切削加工過程中存在局部切削溫度高、刀具磨損快等問題,從而降低切削刀具壽命、增大加工時間和成本[6,7]。因此,在鈦合金加工過程中施加有效的冷卻潤滑是提高刀具切削性能的關鍵技術。

傳統切削液冷卻存在環境污染和危害健康等問題,因此采用微量潤滑(MQL)、油膜附水滴(OoW)、低溫冷風、液氮(LN2)、超臨界二氧化碳(scCO2)及低溫介質復合微量潤滑等“清潔切削”綠色冷卻技術[8-14]替代傳統切削液進行難加工材料的冷卻潤滑,已成為必然趨勢和近年來研究的熱點問題。在能源消耗和裝置簡易性方面,相比于采用低溫冷風、液氮和超臨界二氧化碳等冷卻氣體進行輔助冷卻,微量潤滑和油膜附水滴技術無需采用額外的冷卻氣體介質及相關裝置,具有明顯優勢。

在難加工材料切削加工中,采用的綠色技術需綜合考慮不同被加工材料在特定加工條件下對冷卻和潤滑性能的需求、加工成本等諸多方面問題。針對鈦合金的綠色切削加工,本課題組在前期研究中[15]發現,在OoW、低溫MQL和傳統切削液等冷卻條件下車削加工時,OoW技術能夠一定程度上抑制刀具磨損,同時加工表面質量也得到提高。該研究一定程度上表明,在鈦合金連續切削加工工況下,因切削區域切削熱的持續積累,采用復合潤滑和冷卻效果的綠色切削技術效果較佳。類似的,Gajrani K.K.[16]研究發現,在鈦合金車削中,切屑在刀具前刀面的接觸長度由短到長為低溫MQL(低溫介質為LN2)、MQL和干切削,且在不同切削速度下,相較于干切削,低溫MQL和MQL的切削力和表面粗糙度均有明顯下降。

在鈦合金的銑削加工中,采用MQL和OoW綠色切削技術在不同的切削參數下滿足刀具切削區域的冷卻和潤滑需求,有效抑制刀具磨損以及提高加工表面質量,從而取代傳統冷卻液,仍有必要進行更加深入的研究。

本文針對鈦合金難加工特性,采用傳統冷卻液、MQL和OoW三種冷卻方式,設計了含交互作用的正交試驗,研究分析了冷卻方式和切削參數對切削力、表面粗糙度和刀具磨損的影響規律。

2 試驗與方法

2.1 試驗條件

試驗中銑削加工機床采用匯?？萍技瘓F股份有限公司UHB400加工中心,被加工材料為Ti6Al4V鈦合金,切削刀具為D6R0.5涂層硬質合金銑刀(型號:Garrtool 27545)。

綠色冷卻潤滑噴霧裝置采用廣東工業大學與匯?？萍技瘓F股份有限公司聯合研發的MIS101微量潤滑裝置,該裝置可通過水量閥門開關,使噴霧介質中只含微量油霧(MQL),或同時含有微量油霧和少量水(OoW)。噴霧介質通過設置在刀具兩邊的噴嘴噴射到刀具切削區域,如圖1所示,噴嘴與刀尖距離固定為約15mm,噴嘴與水平面角度約為30°。采用微量潤滑MQL加工時,油量設置為18mL/h;采用油膜附水滴OoW技術加工時,油量和水量分別設置為18mL/h和150mL/h。MQL和OoW均采用自主研發的F30-A潤滑油,傳統切削液冷卻時采用巴索潤滑油Vasco600。

圖1 綠色切削加工噴嘴位置

在鈦合金切削加工試驗中,采用KISTLER 9129AA1測力儀測量切削力,采用光學顯微鏡OUMIT對刀具磨損進行觀察和檢測。在切削刀具加工相同的切削距離50m后,測量正交試驗的每組刀具后刀面磨損值。

2.2 試驗設計

本文以切削力、粗糙度和刀具磨損為優化目標,設計并進行含交互作用的正交試驗,研究鈦合金切削刀具在傳統冷卻液、OoW和MQL等多種冷卻方式和不同切削參數下的加工性能,正交試驗因素水平如表1所示。試驗考慮了冷卻方式、切削轉速s(r/min)、進給速度f(mm/min)和切削深度ap(mm)四個因素三個水平,其中切削寬度ae設為3mm。同時,分別考慮了冷卻方式與切削轉速、進給速度和切削深度間的交互作用。含交互作用的正交試驗L27(313)設計方案及試驗結果如表2所示。

表1 正交試驗因素水平

表2 交互作用的正交試驗L27(313)設計方案及其試驗結果

3 試驗結果與討論

3.1 不同加工條件對切削力的影響

利用極差分析法對表2中對切削合力對試驗結果進行極差分析(結果見表3),通過比較分析不同冷卻方式、切削參數及其交互作用對切削力對影響規律。對比不同因素對切削力的影響程度,結果為切削深度D>進給速度C>冷卻方式A>冷卻×進給(A×C)2>切削轉速B>冷卻×轉速(A×B)2>冷卻×切深(A×D)1?？梢?切削深度、冷卻方式和切削轉速對切削合力的影響相對較為明顯。在冷卻方式與不同切削參數的交互作用的對切削力影響程度方面,冷卻方式和進給速度間的交互作用A×C高于冷卻方式和切削轉速或切削深度的交互作用A×B和A×D。

表3 切削合力極差分析結果

圖2為冷卻方式和進給速度間的交互作用A×C的二元圖。對比切削合力算術平均值大小,可發現相比OoW和傳統冷卻液,MQL在低進給速度下(500mm/min)可獲得最低的切削合力。MQL和OoW冷卻條件下的切削合力隨著進給速度的增加而增大。

圖2 冷卻方式和進給速度交互作用二元圖(切削合力)

為進一步分析各因素的不同水平下切削合力情況,計算了各個因素同一水平對應切削合力的算術平均值,趨勢如圖3所示。

圖3 切削合力極差分析

在冷卻方式中,從圖3對比可發現,采用傳統冷卻液的切削合力最低,微量潤滑MQL方式略高于傳統冷卻液,而油水復合冷卻方式OoW下的切削合力最高,且明顯大于其他兩種冷卻方式。這說明在本文所采用的切削條件下,采用MQL綠色冷卻方式相比OoW能夠更好地降低切削力;這可能是由于OoW中含有少量水,雖然有助于降低切削溫度,但同時也對微量潤滑油產生了稀釋作用,從而降低了潤滑效果。

在切削工藝參數方面,由圖3可見,隨著切削轉速的增加,切削合力有降低的趨勢。研究表明,在鈦合金高速加工中,切削速度的提高會引起主剪切和次剪切區域的溫度上升,同時切屑在前刀面的接觸長度減少,導致切削力降低[17]。切削深度的增加顯著增大了切削合力,這是由于增大切削深度增加了材料的單位時間去除率,同時增大了切屑在前刀面的接觸長度和接觸面積,因此切削合力增大。隨著進給速度增加,切削面積也隨之增加,切削合力出現先增大之后趨于穩定的趨勢;考慮到冷卻方式和進給速度的交互作用,此處切削合力在高進給速度時趨于穩定,主要是由于傳統冷卻方式下高進給速度(1500mm/min)較低的切削合力(見圖2)。

3.2 不同加工條件對粗糙度的影響

表4為根據正交試驗結果計算所得的粗糙度極差分析結果。從不同因素間對粗糙度的影響程度分析,研究結果為:冷卻×轉速(A×B)1>進給速度C>冷卻方式A>冷卻×進給(A×C)2>冷卻×切深(A×D)1>切削轉速B>切削深度D。冷卻方式和切削轉速的交互作用對鈦合金加工過程中的粗糙度具有明顯的影響,且高于冷卻方式和切削轉速本身對粗糙度的影響。

表4 粗糙度極差分析結果

圖4為冷卻方式和切削轉速交互作用的二元圖,通過對比可得,傳統冷卻液在低轉速條件下(A1B1)具有最低的表面粗糙度值。在MQL冷卻條件下,粗糙度隨著轉速的增加而降低(粗糙度值:A3B1>A3B2>A3B3)。OoW冷卻在不同轉速下的粗糙度值變化不明顯,且其粗糙度數值顯著高于MQL和水冷,可見OoW在降低粗糙度方面顯然不具優勢。

圖4 冷卻方式和切削轉速交互作用二元圖(粗糙度)

為進一步分析各因素的不同水平下粗糙度情況,計算各個因素同一水平對應粗糙度的算術平均值,如圖5所示?？梢钥闯?采用MQL和傳統冷卻液的粗糙度值相近,且明顯低于OoW冷卻。同樣的,在OoW條件下的切削合力也明顯大于MQL和傳統冷卻液(見圖3),這也是其粗糙度值相對較大的原因之一。另一個可能原因在于本試驗條件下OoW所發揮的潤滑性能相對不足。

在切削工藝參數方面,隨著切削轉速和切削深度的變化,粗糙度值總體上變化相對平穩。其中,冷卻方式和切削轉速的交互作用A×B,相比冷卻方式和切削深度的交互作用A×D更顯著。圖5中,切削轉速B2下的粗糙度值較高,主要是由于傳統冷卻方式在切削轉速B2時的粗糙度值較高(見圖4)。在進給速度方面,粗糙度值隨著進給速度的增大呈現明顯的單調上升規律,此結果與其他學者的研究一致[18]。進給量的增加會增大切屑厚度和增強排屑干涉,已加工表面形成時的剪切和撕裂作用的一致性會受到影響,從而導致表面缺陷增多和粗糙度增大[19]?？紤]到冷卻方式和進給速度的交互作用A×C對粗糙度值對影響并不顯著,在不同冷卻方式下,如要獲得較低對表面粗糙度值,均需采用相對較低的進給速度。

3.3 不同加工條件對刀具磨損的影響

表5為根據正交試驗結果計算所得的刀具后刀面磨損極差分析結果。通過對比不同因素及各因素間交互作用的極差值,發現冷卻方式對刀具后刀面磨損的影響最大;其他各個因素R值均較為接近,其對刀具磨損的影響程度的差異性相對較小。不同因素間對刀具磨損的影響程度順序為:冷卻方式A>冷卻×切深(A×D)>冷卻×轉速(A×B)>冷卻×進給(A×C)>切削轉速B>切削深度D>進給速度C。

表5 后刀面磨損極差分析

需值得注意的是,根據金屬切削中常見的切削刀具磨損變化情況,正常的刀具磨損通?？煞譃槌跗谀p、均勻磨損和快速磨損三個階段。以后刀面磨損量0.2mm為刀具最大磨損標準,因本試驗中切削距離較短以及不同試驗組所采用的切削參數組合不同,不同試驗組的切削刀具所處的磨損階段可能也有所差異。從本試驗現有磨損值看,除小部分試驗組的后刀面磨損值較大外(如第16組的后刀面磨損值為0.131mm),大多數試驗組的切削刀具仍處于初期磨損階段。而隨著切削距離的增加,不同試驗組下刀具磨損值的變化趨勢存在明顯差異的概率較大。因此,為保證結果分析的嚴謹性,基于現有的試驗結果,本文在刀具磨損方面只重點對刀具磨]損具有最顯著影響的冷卻方式進一步分析,對目前影響顯著性較低的切削轉速、進給速度和切削深度等加工參數暫不做深入探討。

圖6為三種冷卻方式在不同切削參數下的后刀面磨損形貌圖及磨損量。在不同的參數下,采用MQL冷卻方式的后刀面磨損量與傳統切削液冷卻方式相近,且在部分切削參數條件下優于傳統切削液。而OoW方式的刀具磨損在不同的切削參數下均大于MQL和傳統冷卻液。這可能是由于OoW中添加的少量水后產生稀釋作用,導致其總體潤滑性能相比純潤滑油的MQL更弱。在鈦合金加工過程中,切削刀具沒有得到良好的潤滑,從而使OoW下的刀具磨損加快。

圖6 三種冷卻方式在不同加工參數

4 結語

(1)在鈦合金銑削過程中,不同因素對切削合力的影響程度,由大到小依次為切削深度D>進給速度C>冷卻速度A>冷卻×進給(A×C)2>切削轉速B>冷卻×轉速(A×B)2>冷卻×切深(A×D)1。冷卻方式和進給速度間交互作用相比其他交互作用對切削合力對影響更大。從極差趨勢圖看,MQL相比OoW能夠更好地降低切削合力。

(2)各因素對表面粗糙度的影響程度為冷卻×轉速(A×B)1>進給速度C>冷卻方式A>冷卻×進給(A×C)2>冷卻×切深(A×D)1>切削轉速B>切削深度D。冷卻方式和切削轉速的交互作用對粗糙度的影響最為明顯。MQL冷卻在高轉速下可獲得更低粗糙度,而OoW在不同轉速參數下均具有比MQL和傳統冷卻液更高的粗糙度值。

(3)從現有刀具磨損結果分析可得,不同冷卻方式的影響最為明顯。不同切削參數下,MQL和傳統冷卻液在抑制刀具后刀面磨損上較為接近,且顯著優于OoW冷卻方式。

為進一步深入研究鈦合金銑削中綠色冷卻方式和切削工藝參數對刀具切削性能的影響規律,后續有必要進行不同冷卻和加工條件下刀具磨損機理,以及MQL和OoW綠色冷卻技術的工藝優化等方面的研究,從而更大程度地發揮這兩種準干式切削技術在典型難加工材料上的應用優勢。