潤滑條件對(duì)TC4鈦合金切削加工影響的實(shí)驗(yàn)研究
發(fā)布日期:2024-4-10 14:48:22
1、引言
鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航空航天等領(lǐng) 域。TC4鈦合金的難加工性主要表現(xiàn)在:TC4鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)較低, 切削熱積聚于刀尖及前刀面局部范圍內(nèi),使切削局部環(huán)境惡化,影響表面 加工質(zhì)量;TC4鈦合金在高溫狀態(tài)下的化學(xué)性質(zhì)活潑,易反應(yīng)生成硬化 層,加劇刀具磨損;TC4鈦合金的強(qiáng)度、硬度高、彈性模量小以及摩擦 系數(shù)較大等特點(diǎn)使得單位切削力大,增加功率消耗。
在實(shí)際生產(chǎn)中,由于鈦合金的難加工性以及需要從鍛坯料中去除大量 材料,還存在加工效率低的問題。隨著現(xiàn)代裝備技術(shù)的發(fā)展,高速切削技 術(shù)已具備廣泛推廣的條件,并在鈦合金產(chǎn)品切削加工中得以應(yīng)用[1]。然 而在高速切削狀態(tài)下,采用傳統(tǒng)的澆注式切削潤滑時(shí),切削液一旦觸碰到 高速旋轉(zhuǎn)的工件或刀具即被甩出,極難到達(dá)切削環(huán)境最為惡劣、最需要冷 卻潤滑的刀尖部位。并且澆注式供給切削液帶來的環(huán)境問題日益嚴(yán)峻,甚 至飛濺的切削液將對(duì)人身健康產(chǎn)生危害[2]。
因此,在可持續(xù)發(fā)展的大環(huán)境下,制造業(yè)探索并發(fā)展了新型的冷卻潤 滑方式,如干式切削(DryMachining,DM)加工技術(shù)[3]、微量潤 滑(MinimumQuantityLubrication,MQL)切削技術(shù)[4]和 低溫冷風(fēng)切削加工技術(shù)[5]以及基于以上技術(shù)的低溫微量潤滑(Cold minimumQuantityLubrica-tion,CMQL)復(fù)合增效技術(shù)[6] 。
目前,大量學(xué)者對(duì)新型冷卻潤滑方式在潤滑機(jī)理[7]、鈦合金等難加 工材料的應(yīng)用方面[8]進(jìn)行了研究。NandyA.K.等[9]使用 CMQL技術(shù)車削加工TC4鈦合金發(fā)現(xiàn),CMQL技術(shù)能夠有效降低車削 力,并且在斷屑方面有一定優(yōu)勢(shì)。
蘇永生等[10]在干切削和低溫微量潤滑條件下研究織構(gòu)化硬質(zhì)合金 刀具切削鈦合金的性能,研究表明,微溝槽在CMQL條件下能有效改善刀 具的摩擦學(xué)性能。
朱林等[11]對(duì)GH4169鎳基高溫合金在干式、澆注式和低溫冷風(fēng)微 量潤滑條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和仿真對(duì)比,結(jié)果表明:CMQL技術(shù)可以有效降低 切削力和切削溫度,并改善工件的表面質(zhì)量。
易湘斌等[12]進(jìn)行了高速銑削TB6鈦合金試驗(yàn),研究表明,CMQL 潤滑條件下的表面粗糙度值最小,且表面無明顯晶粒變形。ParkK.H. 等[13]研究發(fā)現(xiàn),低溫液氮結(jié)合MQL可顯著改善加工狀態(tài),但需要利用 額外的復(fù)雜裝置。
近年來,針對(duì)新型的冷卻潤滑方式的應(yīng)用研究不斷增多,但針對(duì)各種 潤滑條件對(duì)TC4鈦合金切削加工性影響,特別是面向TC4鈦合金粗精加工 過程仍缺乏系統(tǒng)性的研究。本文通過實(shí)驗(yàn)探究不同潤滑條件對(duì)高速車削TC 4鈦合金的切削力和表面粗糙度的影響,分析潤滑條件在不同加工階段的 影響,得出CMQL條件下高速精車TC4鈦合金的切削參數(shù)對(duì)切削力和表面 粗糙度的影響規(guī)律。
2、實(shí)驗(yàn)條件及方案
2.1實(shí)驗(yàn)材料參數(shù)及設(shè)備
研究對(duì)象采用的高強(qiáng)度TC4鈦合金,其主要構(gòu)成成分及力學(xué)性能如表 1和表2所示。實(shí)驗(yàn)采用鑫盛機(jī)床公司生產(chǎn)的ADG15M數(shù)控車床,可實(shí)現(xiàn) 8000r/min高速切削;使用Kistler9257B三分量測(cè)力儀測(cè)量切 削力,采用吉泰科儀JD520粗糙度儀測(cè)量加工表面粗糙度;選用納米涂 層細(xì)顆粒合金刀具(主偏角κr=45°,前角γ0=5°,后角α0=15° ),刀尖圓弧半徑采用r=0.8mm。實(shí)驗(yàn)所用的低溫和MQL環(huán)境采用SU NAIR公司生產(chǎn)的超低溫微量潤滑系統(tǒng)提供。
2.2實(shí)驗(yàn)方案
設(shè)計(jì)三組切削實(shí)驗(yàn),分別研究不同潤滑條件對(duì)切削過程的影響、不同 潤滑條件在不同加工階段的影響和CMQL下切削參數(shù)對(duì)切削加工性的影響 。為了分析不同潤滑條件對(duì)TC4鈦合金高速切削加工性的影響,采用單因 素分析法,在選定的切削參數(shù)下,分別對(duì)CMQL、冷風(fēng)、澆注式三種冷卻 潤滑條件下的切削力和表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量和分析。選定的切削參數(shù)如表 3所示。
為了分析不同潤滑條件對(duì)TC4鈦合金粗加工、半精加工、精加 工的影響,采用單因素分析法,針對(duì)干切削、澆注式潤滑、MQL和CMQL 四種不同潤滑環(huán)境進(jìn)行切削力和表面粗糙度測(cè)量和分析。各加工階段的切 削參數(shù)根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)選取,選定的切削參數(shù)如表4所示。
設(shè)計(jì)三因素三水平正交試驗(yàn),以研究CMQL條件下高速切削TC4鈦合金 各切削參數(shù)對(duì)主切削力和表面粗糙度的影響。所選擇的切削參數(shù)范圍屬于 半精加工和精加工階段,正交試驗(yàn)因素水平設(shè)置如表5所示。
3、不同潤滑條件下的TC4鈦合金高速切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
3.1主切削力及表面粗糙度實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果
分別在CMQL、冷風(fēng)、澆注式潤滑環(huán)境下記錄9組實(shí)驗(yàn)測(cè)得的切削力和 表面粗糙度數(shù)據(jù),如表6所示。為了確保切削力和表面粗糙度數(shù)據(jù)的精度 ,在同一工件上使用同組切削用量走刀3次,取3次的切削力平均值作為 該組的切削力,在粗糙度測(cè)量中圓周均布采樣3次并取平均值,減少人為 因素造成的誤差。
3.2不同冷卻潤滑條件對(duì)主切削力的影響
圖1為CMQL、冷風(fēng)、澆注式潤滑環(huán)境下、以切削速度240m/min高 速車削TC4鈦合金的主切削力對(duì)比柱狀圖?梢钥闯,在相同的冷卻潤 滑環(huán)境下,隨著切削深度和進(jìn)給量的增加,主切削力隨之增加,很明顯, 切削深度和進(jìn)給量的增加使切削層公稱橫截面積增大。
量化分析如下:參數(shù)組1相對(duì)于參數(shù)組2的切削層公稱橫截面積增大 了1倍,對(duì)應(yīng)的主切削力分別在CMQL、冷風(fēng)、澆注式潤滑條件下的增大 系數(shù)為2.02,2.01,1.99;參數(shù)組3相對(duì)于參數(shù)組1的切削層公稱 橫截面積增大了1倍,對(duì)應(yīng)的主切削力分別在CMQL、冷風(fēng)、澆注式潤滑 條件下的增大系數(shù)為1.76,1.76,1.80。說明主切削力增加的主要 影響因素為切削層公稱橫截面積,不受冷卻潤滑條件的影響。
在相同的切削參數(shù)下,CMQL和低溫冷風(fēng)條件能有效降低主切削力, 并且CMQL降低切削阻力的效果更優(yōu)。其中,CMQL的主切削力比低溫冷 風(fēng)的主切削力平均減小約16.4%,并且參數(shù)組3中CMQL的主切削力比低 溫冷風(fēng)減小134.8N;CMQL的主切削力比澆注式潤滑的主切削力平均 減小約23%,并且參數(shù)組3中CMQL的主切削力比澆注式潤滑減小了213 .6N。
從以上分析可以看出,在降低切削阻力系數(shù)方面,高速切削時(shí)CMQL 優(yōu)于其他兩種冷卻潤滑加工方法。噴嘴高速噴出的低溫汽霧有很強(qiáng)的吸熱 能力,并且高壓汽霧能夠抵抗高速旋轉(zhuǎn)并有效到達(dá)主切削區(qū)域,實(shí)現(xiàn)較好 的冷卻潤滑效果。
相對(duì)于低溫冷風(fēng),潤滑油的混合霧化可以在刀—工、刀—屑間完全形成 潤滑油膜,使切削摩擦阻力降低,從而降低切削力。
3.3不同冷卻潤滑條件對(duì)表面粗糙度的影響
圖2為CMQL、冷風(fēng)、澆注式潤滑環(huán)境下、以切削速度240m/min高 速車削TC4鈦合金的表面粗糙度對(duì)比柱狀圖?梢钥闯,在相同的冷卻 和潤滑環(huán)境下,參數(shù)組2相對(duì)于參數(shù)組1的表面粗糙度基本沒有變化,參 數(shù)組3相對(duì)于參數(shù)組1的表面粗糙度有明顯增加。根據(jù)表面粗糙度理論公 式可知,表面粗糙度與進(jìn)給量和刀尖圓弧半徑有關(guān),在相同的切削參數(shù)下 ,CMQL和低溫冷風(fēng)條件的表面粗糙度值略有降低,說明良好的冷卻潤滑 條件能夠?qū)庸け砻尜|(zhì)量帶來提升,并且CMQL要優(yōu)于低溫冷風(fēng)條件。但 是在參數(shù)組3中進(jìn)給量較大的情況下,冷卻潤滑條件的影響程度下降。
表面粗糙度除與理論切削參數(shù)有關(guān)外,還與切削過程中積屑瘤的產(chǎn)生 和消失也有極大關(guān)系。積屑瘤產(chǎn)生的先決條件是切屑底層金屬與刀具前刀 面發(fā)生黏結(jié),從以上分析可以看出,低溫冷風(fēng)和CMQL可以快速冷卻刀具 和工件,加工表面和切屑的塑性降低,抑制了積屑瘤形成和發(fā)展。
CMQL可以提供良好的潤滑膜,弱化刀具和工件之間的黏結(jié)摩擦,減少 刀具的磨損,并還可以降低切削過程中的振動(dòng)和噪聲,有助于提高表面質(zhì)量。
4、不同潤滑條件下的各加工階段切削實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論
4.1主切削力及表面粗糙度實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果
根據(jù)TC4鈦合金實(shí)際樣件切削加工工藝選取不同加工階段的實(shí)驗(yàn)參數(shù) ,如表7所示,分別在干切削、澆注式、MQL和CMQL潤滑環(huán)境下記錄實(shí) 驗(yàn)測(cè)得的切削力和表面粗糙度數(shù)據(jù)。
4.2在不同加工階段時(shí)冷卻潤滑條件對(duì)切削力的影響
在干切削、澆注式、MQL和CMQL潤滑環(huán)境下,TC4鈦合金在精車、 半精車、粗車加工時(shí)的主切削力點(diǎn)線如圖3所示。
可以看出,在不同的加工階段,切削參數(shù)不變情況下,切削力在不同 冷卻潤滑環(huán)境的變化幅度不大。這說明切削參數(shù)依然是影響切削力大小的 主要因素,而潤滑條件只能在一定范圍內(nèi)影響切削力。對(duì)于精加工而言, 其主切削力隨著干切削、澆注式、MQL和CMQL潤滑環(huán)境的變化依次減 小,總減小量為18.7N,減小幅度為17.2%。
CMQL相較于MQL的減小量為2.5N,減小幅度為2.7%。說明相較 于傳統(tǒng)澆注和無潤滑干切,MQL條件下切削液能夠滲入加工區(qū)域,從而改 善刀具與工件的摩擦狀態(tài),而傳統(tǒng)澆注量大,流速低,很難深入高速切削 的加工區(qū)域,僅能提供冷卻降溫效果。對(duì)于半精加工而言,其主切削力隨 著干切削、澆注式、MQL潤滑環(huán)境的變化依次減小,共減小121.6N, 減小幅度為26.1%。
但是,CMQL相對(duì)于MQL略有提高,增加量為20.7N,說明MQL對(duì)半 精加工降低切削阻力的效果更為有效。
低速、大切深已體現(xiàn)不出CMQL的優(yōu)勢(shì),這是由于低速環(huán)境下澆注式冷 卻潤滑已經(jīng)達(dá)到一定的效果,而CMQL會(huì)進(jìn)一步降低刀—工切觸區(qū) 的溫度,鈦合金材料塑性下降,切削阻抗增大,切削力變大。對(duì)于粗 加工而言,低速大切深環(huán)境加劇,CMQL相對(duì)于MQL的切削阻抗增大效 果更為明顯,反而干切削的切削力更小,這是因?yàn)闊o潤滑干切的溫升會(huì)對(duì) 鈦合金有熱軟化效果,降低切削阻抗。
4.3在不同加工階段時(shí)冷卻潤滑條件對(duì)表面粗糙度的影響
在干切削、澆注式、MQL、CMQL潤滑環(huán)境下,TC4鈦合金在精車、 半精車、粗車加工時(shí)的表面粗糙度點(diǎn)線如圖4所示。
從圖中可以直觀地看到精加、半精加工、粗加工三種不同的加工階段 粗糙度數(shù)值變化趨勢(shì)一致,由大到小均為干切削、MQL、傳統(tǒng)澆注、CMQ L。其中,傳統(tǒng)澆注潤滑方式相比MQL潤滑方式,表面粗糙度數(shù)值更小, 表面質(zhì)量更高,這可能是由多種原因造成,例如切屑會(huì)影響微量油液到達(dá) 工件表面、體積微小的油液顆粒容易受熱揮發(fā)、澆注式切削降低了切削加 工區(qū)域的溫度等。
但MQL更加節(jié)省切削液,這大大降低了加工成本,在工件表面質(zhì)量要求 不高時(shí)優(yōu)勢(shì)更加顯著。
另外,根據(jù)不同加工階段時(shí)表面粗糙度的數(shù)值對(duì)比,再次證明切削參數(shù) 的改變對(duì)粗糙度數(shù)值的影響程度大于潤滑條件,潤滑條件只能在一定范圍 內(nèi)影響表面粗糙度。
5、CMQL條件下TC4鈦合金切削正交試驗(yàn)結(jié)果與討論
5.1切削力及表面粗糙度正交試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果
按L9(34)正交試驗(yàn)方案進(jìn)行TC4鈦合金的高速切 削實(shí)驗(yàn),獲得的主切削力及表面粗糙度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表8所示,數(shù)據(jù)表明, 在CMQL冷卻潤滑條件下主切削力均在800N以內(nèi);當(dāng)進(jìn)給量f=0.2m m/r時(shí),表面粗糙度Ra<0.7μm;當(dāng)進(jìn)給量f>0.3mm/r時(shí),表面 粗糙度Ra>1μm。為綜合分析切削參數(shù)對(duì)主切削力和表面粗糙度的影響 程度與規(guī)律,分別對(duì)其進(jìn)行極差分析。
5.2切削力極差分析
根據(jù)正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)的直觀極差分析可以確定各因素對(duì)主切削力的影響 規(guī)律,并確定各因素的最優(yōu)水平組合。通過試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算,整理得到 正交試驗(yàn)極差分析表(見表9)。由極差分析結(jié)果可知,在所選切削參數(shù) 范圍內(nèi),切削速度是影響主切削力的主要因素,其次分別為進(jìn)給量和背吃 刀量,且均大于空列,說明在高速精車TC4鈦合金的影響參數(shù)中,切削三 要素占據(jù)主導(dǎo)地位。
隨著高速切削時(shí)切削速度的增加,工件表面和刀具溫度急劇升高,如 果此時(shí)冷卻潤滑不及時(shí)就會(huì)導(dǎo)致工件和刀具燒傷,表面硬化嚴(yán)重,從而導(dǎo) 致切削力變大以及表面加工質(zhì)量急劇下滑。CMQL給高速精車TC4鈦合金 提供了良好的冷卻潤滑條件,保證切削過程的穩(wěn)定進(jìn)行。為了分析切削參 數(shù)對(duì)主切削力的影響規(guī)律,從極差分析中可知,主切削力隨切削速度的增 大而減小,隨著進(jìn)給量和切削深度的增大而增大。單純考慮主切削力最小 (低碳降耗目標(biāo)),理想的組合方案是大切削速度、盡可能小的背吃刀量 和較小的進(jìn)給量。
5.3表面粗糙度極差分析
根據(jù)表面粗糙度Ra的實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析,如表10所示。三 個(gè)因素對(duì)表面粗糙度Ra的影響顯著程度由大到小為進(jìn)給量>切削深度> 切削速度,其中進(jìn)給量為主要影響因素,這與理論表面粗糙度相匹配。這 是因?yàn)樵诟咚倬囯A段,CMQL冷卻潤滑條件保證切削過程的穩(wěn)定進(jìn)行, 在高速切削中難以形成對(duì)表面質(zhì)量不利的積屑瘤,保證了表面粗糙度不受 其他不穩(wěn)定因素影響。為了分析切削參數(shù)對(duì)主切削力的影響規(guī)律,從極差 分析表中可知,在CMQL切削條件下,切削速度和切削深度的改變對(duì)TC4 鈦合金加工表面的質(zhì)量影響微乎其微,隨著進(jìn)給量的增加,表面加工質(zhì)量變差。
選用較小的進(jìn)給量可降低工件表面粗糙度。
綜合分析切削參數(shù)對(duì)主切削力和表面粗糙度的影響,考慮實(shí)際CMQL 條件下高速精車TC4鈦合金加工過程,背吃刀量由粗車或半精車留的余量 決定,因此背吃刀量的選擇原則為:在確保工藝過程穩(wěn)定可控的前提下, 盡可能采用較小的精車余量來實(shí)現(xiàn)降低切削力的目的;在切削穩(wěn)定的前提 下盡可能選擇較大的切削速度;進(jìn)給量的選擇則并非越小越好,因?yàn)檫^小 的進(jìn)給量勢(shì)必導(dǎo)致切削效率直線下降,并且進(jìn)給量過小難以形成規(guī)則順暢 的切屑,導(dǎo)致刀具磨損變大,因此,在保證滿足工件表面粗糙度要求的前 提下應(yīng)選擇較大的進(jìn)給量參數(shù)。
6、結(jié)語
通過三組TC4鈦合金切削實(shí)驗(yàn)分析得到以下結(jié)論。
(1)CMQL和MQL冷卻潤滑條件可在TC4鈦合金高速切削中有效降低 切削阻力和改善表面粗糙度,且CMQL復(fù)合增效技術(shù)表現(xiàn)更優(yōu);
(2)CMQL冷卻潤滑條件在高速精車削階段才體現(xiàn)出降低切削阻力的 優(yōu)勢(shì),對(duì)低速大切深的粗加工階段反而不利;
(3)考慮CMQL條件下高速精車TC4鈦合金的加工效率,最佳參數(shù)組 合為較高切削速度、較小的精加工余量和合適范圍內(nèi)較大的進(jìn)給量。
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第一作者:國秀麗,講師,安陽工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,455000河南 省安陽市
FirstAuthor:GuoXiuli,Lecturer,SchoolofMec hanicalEngi-neering,AnyangInstituteofTechnolo gy,Anyang,Henan455000,China
通信作者:張程焱,博士,講師,許昌學(xué)院電氣與機(jī)械工程學(xué)院,46 1000河南省許昌市
CorrespondingAuthor:ZhangChengyan,Ph.D.,L ecturer,SchoolofElectricalandMechanicalEngin eering,XuchangUni-versity,Xuchang,Henan461000 ,China
tag標(biāo)簽:TC4鈦合金