不同冷却条件下钛合金材料的车削性能研究
2021-03-31
Performance Research on Different Cooling Conditions in Turning Titanium Alloy Materials
西南交通大学 李登万1 陈洪涛1 黄 隧1
重庆成田低温加工技术有限公司 张昌义2 杨 伦2
摘 要：对难加工材料钛合金进行冷风油雾切削实验，将实验结果同常温干车、常温喷雾和大量油剂喷淋的冷却方式进行对比研究。通过实验结果分析，在相同切削参数及刀具加工时，低温喷雾冷却的刀具使用寿命最长，常温干车的刀具使用寿命最短。同时，采用低温喷雾冷却方法，加工表面粗糙度值也有所下降。
关鍵词：冷风切削 清洁加工 干式切削 亚干式切削 钛合金加工
Abstract: The experiment of the cold-air jet machining has been introduced to process the difficult-to-machine titanium alloys.The results have been compared with the methods of dry turning, minimum quantity lubrication (MQL) turning and wet turning. By the analysis of the results, we discover that under the same parameters and cutting tool the life of tool with the method of low-temperature spraying oil mist is longest and the room temperature dry turning least. Furthermore, with the method of low-temperature spraying oil mist, the value of surface roughness of the workpiece has declined.
Key words: Cold Air Cutting Clean Processing Dry Cutting Sub-Dry Cutting Titanium processing
1.钛合金及钛合金的切削性能
钛合金密度仅为4.5g/cm3，重量轻，接近铝的比重，但其比强度却大于超高强度钢；熔点高达1660℃，具有较高的热强度，可在550℃以下工作，在此温度下，表面易于形成致密的氧化膜，故不容易被进一步氧化，对大气、海水、蒸汽以及一些酸、碱、盐介质等有较强的抗腐蚀能力。因此，近年来，现代工业，尤其是现代化工、仪器仪表、航天、军事工业对钛合金材料的需求量大增。尽管，我国是钛蕴含量最丰富的国家，但是，由于加工困难，我国工业及军事装备使用钛合金零件的比例相对较低，即使是某些新型军用航空零件，钛合金占有的比例也不大，离国际先进水平存在较大差距，研究发现：影响钛合金材料切削加工性能和刀具耐用度的主要原因是：
●材料亲和力强
钛元素化学活性强，具有很强的亲和力，在600℃以上高温时，加工点很容易与接触的氧、氢和氮等气体杂质化合而硬化，形成脆化层，影响刀具的寿命；同时，这些杂质还具有磨料性质，能够加速刀具的磨损。
●塑性变形量小
钛合金塑性变形变形量小，其收缩系数仅为钢材的1/3左右，切屑经主切削刃切离后，会立即向上翻卷，使切屑与刀具前刀面间仅存一极小的接触区，使作用在刀具与工件材料接触面上的压力增高，产生热量堆积。
●强度极限高
钛合金的含碳量高，材料的高强度极限，加工会造成切削点压力增大和局部温度增高。
●弹性模量低，弹性变形大
钛合金弹性模量低，弹性变形大，在后刀面与工件的接触区材料回弹量大，使材料与后刀面的接触面积增大，切削温度升高。
●导热性差，
钛合金的导热率很低，仅为铁的1/5，加工时前述原因产生的切削热大量堆积在切削点难以迅速传导，使刀刃局布温度升高。
● 切削液使用不当时刀刃的热冲击增大
如前所述，由于材料特性等诸多原因，加工钛合金时，在刀具切削点的附近会产生很大的热量堆积，此时，如果切削液加注不当，就会受膜态沸腾现象的影响，使切削点得不到连续而有效的润滑和冷却，液体冷却速度过快，易于形成热冲击，又增大了刀具的微裂。
基于上述原因，有关通过改善冷却条件，提高钛合金材料切削加工性能的研究较为活跃。
2.钛合金材料的车削试验
为了摸索钛合金材料的清洁化加工方法，提高切削性能，我们从降低切削温升入手，通过冷风切削技术，用CTL-50/20型冷风射流机生成的-50℃的低温气流(混入非常微量的切削油)，代替切削液，进行了低温微量润滑与常温干车、常温喷雾和大量油剂喷淋等不同冷却条件下，钛合金的车削试验，取得了一些有价值的数据。
2.1试验基本条件
●机床条件
机床型号：CK6143/100数控车床
生产厂家：武汉汉口机床厂制造
主轴转速范围：40～2500rpm
主轴电机功率：5.5Kw
●刀具条件
车刀材料：超硬高速钢
车刀主要参数：前角γ0=12° 后角α0=12° 主偏角κr=75°
●被加工材料：Ti-6Al-4V
●切削参数： vc=20m/min ap=1.5mm f=0.12mm/r
2.2冷却条件及配置
自然冷却：环境温度16 ℃
常温喷雾：使用BESCUT173低温切削油，用量50ml/h左右，风量1Nm3/min，压力0.2Mpa
油剂喷淋：使用20号机油，5～8 l/ min
低温喷雾：使用重庆成田低温加工技术有限公司CTL-50/2.0型冷风射流机输出的冷风，混入微量低温切削油，直接喷吹刀具切削点。额定出口温度为-50℃，额定出口风量为2.0Nm3/min，额定气源压力不低于0.4Mpa，实测冷风机出口温度 -55℃(±2℃)，实测冷风喷嘴出口温度-42℃，保温管长度10m,实测气源压力0.2Mpa，外接气源压力0.2Mpa、 温度23 ℃、含水量75g/m3 。
CTL-50/2.0型冷风射流机的安装结构布置如图1。由于车间压缩空气源的含水量和含油量都相对超标，为了确保供气质量，我们在冷风射流机的气源输入口与车间压缩空气配气管接头之间配置了油、水分离器。油、水分离器的出口与冷风射流机的供气口接通，它的输出口有快御管接头与金属保温管连接，金属保温管的另一端与冷风喷嘴连接，使喷嘴正对刀刃并用电磁铁固定在刀架上。在喷嘴的附近，装有引射式微量油雾化器，开机后，几分钟内，刀刃附近就出现明显的结霜现象，12分钟后，面版上的温度显示器显示温度为-55℃，受车间气源波动影响，有±2℃的温度波动，由于保温管输送距离效长，加上其它损耗，实测刀刃处冷风喷射温度在-42℃左右，并且，气源压力未达到CTL-50/2.0型冷风射流机说明书所规定不低于0.4Mpa的要求，只有0.2Mpa，对常温喷雾和低温喷雾切削的试验效果有一定的影响。
3.低溫喷雾、油剂喷淋、常温喷雾及常温干车时的刀具耐用度对比试验
试验将一根钛合金棒料分为四段，并分別在不同的冷却条件下，用统一磨制的超硬高速钢材料车刀以相同切削参数进行分段切削，由于预估低温喷雾冷却的单位时间金属切除率最高，因此，首先进行了低温喷雾，其次是油剂喷淋、常温喷雾(MQL)和常温干切条件下的车削以利于进刀。
为了量化刀具的磨损状况，按照国际通用的刀具磨钝标准，试验通过高倍显微镜，测量每一加工循环车削完成后，刀具后刀面磨损带中间部分的平均磨损宽度，直到达到0.30mm为止。整个试验过程采用恒线速度切削，随着每一加工循环零件直径的减小，机床主轴转速也相继加快，以保证切削线速度的一致性。
试验数据显示：在低温喷雾条件下，后刀面磨损带中间部分的平均磨损宽度达到0.29mm时，刀具的切削距离达到15731m；油剂喷淋条件下，磨损0.30mm时，刀具的切削距离达到8379m；常温喷雾条件下，磨损0.30mm时，刀具的切削距离为5189m；而采用常温干车时,后刀面磨损超过0.30mm，达到0.37mm时，切削距离仅有3129m。显然，改变冷却条件，对延长刀具使用寿命是具有重要意义的，低温喷雾冷却方式，使切削点的温度降低，并且，从图2、图3看，油剂喷淋切削时，刀具前刀面生成了较高的积屑瘤，而低温喷雾切削时，积屑瘤的生成并不明显。
从表面加工质量看，低温喷雾冷却方式微好于油剂喷淋和常温喷雾方式，常温干车的表面加工质量最差，分別为：低温喷雾Ra=0.023μm, 油剂喷淋Ra=0.032μm, 常温喷雾Ra=0.040μm。
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冷却条件
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后刀面磨损
VB/ mm
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车削长度/
m
|
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低温喷雾
|
0.10
|
2079
|
|
0.13
|
3129
|
|
0.15
|
4179
|
|
0.19
|
8380
|
|
0.25
|
14681
|
| 0.29 |
15731
|
|
油剂喷淋
|
0.12
|
2079
|
|
0.15
|
3129
|
|
0.19
|
4179
|
|
0.25
|
7329
|
|
0.30
|
8379
|
|
常温喷雾(MQL)
|
0.14
|
2079
|
|
0.16
|
3129
|
|
0.23
|
4179
|
|
0.30
|
5189
|
| 常温干车 |
0.23 |
2079
|
| 0.37 |
3129
|
4.结论
试验通过相同角度的超硬高速钢车刀，使用同一切削参数，针对Ti-6Al-4V钛合金材料，进行了不同冷却条件下的刀具耐用度试验，试验证明：使用低温空气混入微量油剂，对刀具切削区实施低温喷雾冷却的方法，与其它切削冷却方式相比，由于降低了切削点的温升，使材料的亲和力降低，脆性增大,切削热堆积在切削点的现象缓解，对提高刀具的耐用度具有重要意义；并且，因积屑瘤的生成条件受到抑制，加工表面粗糙度值也有所下降。可以认为：低温喷雾冷却方式能够减少加工时大量使用切削油剂给环境造成的污染、提高切削性能，因此，这项技术或将成为传统装备节能减排和清洁化改造的一种有效手段。
参考文献
毛文革 钛合金的切削加工 航空制造技术 2001年.1期.p64-66
魏树国.马光峰 钱宇强 低温切削BT20钛合金切削力的研究 机械工程师2005年 9期 p37-38
横川和彦 横川宗彦 机機と工具 1998年7期
第一作者 李登万 西南交通大学在读博士生 四川成都市 邮偏610031
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