低溫噴霧射流冷卻技術對TC4高速銑削加工性能的影響

吳雄彪

（金華職業技術學院，浙江金華 321007）

低溫噴霧射流冷卻技術對TC4高速銑削加工性能的影響

吳雄彪

（金華職業技術學院，浙江金華 321007）

為了有效降低切削區溫度，提高TC4的高速切削加工性，采用低溫噴霧射流冷卻技術，對TC4高速銑削加工性能進行試驗。結果表明：相對于低溫冷風和MQL，低溫噴霧射流冷卻具有更強的導熱冷卻作用，能有效地降低切削溫度、減少刀具磨損、減小加工表面粗糙度值，改善切削加工性。由于用水作為噴霧冷卻介質，無毒害作用，是一種綠色制造技術，具有良好的發展前景。

低溫噴霧射流 冷卻技術 高速銑削 加工性

TC4因具有比強度高、熱強度好、耐腐蝕以及熱導率低等優點，在航空、航天及化學工業等部門中的應用越來越廣泛［1］。然而，TC4是一種難加工材料，具有較差的切削加工性能，主要是切削中因導熱不暢致使切削區溫升過高，造成工具失效、工件報廢。傳統切削時通常采用極低的切削速度，生產效率非常低［2］。隨著數控加工的普及化，為了能夠提高加工表面質量，高速切削工藝的應用日益廣泛。因此，在高速加工中如何控制切削區溫度成為提高加工質量、改善加工性能的重要工藝因素。

1 低溫噴霧射流冷卻原理

1.1 冷卻方式的選擇

在高速切削難加工材料時，切削區產生很高的切削溫度會使刀具急劇磨損。如何有效降低切削溫度，抑制刀具磨損，成為進一步提高難加工材料加工效率的主要工藝途徑。冷卻是通過介質將切削區熱量導出，有效降低切削溫度的手段。現階段生產中使用的冷卻技術主要有四大類：

一是切削液。它使用較為普遍，主要起冷卻、潤滑、清潔、排屑及防銹作用。主要是常態澆注和高壓噴射。為了有效降低切削溫度，提高刀具耐用度，在高速切削難加工材料時，往往還會加大澆注流量和加入極壓添加劑等［3］，其中多含有毒、有害物質，甚至致癌物質，對人體健康危害和環境污染很大，這已不符合綠色切削的趨勢。

二是低溫干切削。預先將工件在低溫下冷卻后加工，切削點始終處于穩定的低溫狀態，冰冷的切屑帶走大部分切削熱，可以有效地保持刀具鋒利。但是受工件材料性能影響，會造成加工尺寸的誤差，而大型工件冷卻難度大，也不適用。

三是液態介質冷卻。主要是液氮冷卻和水射流冷卻。液氮通過直接噴射和間接蒸發循環冷卻的方式，冷卻效果好，成本低，無污染。但是由于冷卻溫度低，加工誤差大，又加上在噴射中存在的多個技術難題限制了進一步使用［4］。

四是氣態介質冷卻技術，主要是微量潤滑（MQL）技術和低溫冷風技術。MQL技術是將壓縮空氣與少量潤滑油混合汽化后，再噴射到加工部位，從而使刀－屑接觸區得到冷卻和潤滑，起到降低切削溫度、減少刀具磨損、減小表面粗糙度值和提高加工效率的作用。但是微量如何界定在實際操作中較難把握。低溫冷風技術是將空氣經制冷設備降為－30～－50℃左右的低溫冷空氣，直接噴向加工區，對刀具和工件同時冷卻，冷卻效果好，可以穩定加工質量，延長刀具耐用度；但是氣體介質的動能小，在流向切削區域受到阻礙而改變方向造成冷卻不均，而且潤滑較差，刀具和工件之間的摩擦力增大，降低冷卻效果。

在分析上述四種冷卻技術彼此的優劣過程中，提出一種新型的冷卻方式，低溫噴霧射流冷卻，將MQL中的潤滑油改為水，以避免污染。

1.2 低溫噴霧射流冷卻系統

如圖1所示為一套低溫噴霧射流冷卻系統的示意圖。它主要由空氣壓縮機、儲氣罐、低溫冷風發生裝置、水箱以及霧化噴嘴組成。從空氣壓縮機出來的壓縮空氣首先儲存在儲氣罐中，以獲得穩定的氣源，壓縮空氣經過過濾器和干燥器去除其中的雜質和水分后進入冷卻裝置，經過熱交換后產生具有一定壓力的低溫氣流，低溫氣流與從水箱壓出的水流匯聚于霧化噴嘴產生低溫噴霧射流。

該系統的核心是憑藉低溫噴霧射流沖擊集低溫氣、液兩相強對流、射流沖擊和充分汽化三重強化的換熱優勢，通過低溫氣流運載少量低溫冷卻液（0℃水）并以噴霧射流沖擊的形式到達加工區，充分發揮冷卻介質的強化換熱效果。這一冷卻系統集低溫、射流沖擊、充分汽化及使用了空氣和水介質，是高效、低耗、清潔、環保的綠色制造技術。

2 試驗條件與參數選擇

2.1 試驗條件

本次試驗是對高速銑削鈦合金時的銑削溫度、刀具磨損和工件的表面粗糙度進行對比研究。

機床設備：Mikron UCP710五坐標高速加工中心。

切削刀具：φ25 mmWalter鑲塊式硬質合金銑刀，前角、螺旋角30°。試驗過程中只安裝一個刀齒，進行單齒切削。

試驗材料：TC4 鈦合金（Ti－6Al－4V）。

銑削方式與切削參數：順銑，銑削速度v=100～350 m/min，進給量：f=0.1 mm/齒，切削深度：af=5 mm，ap=2 mm。

冷卻方式與參數：冷卻方式為低溫冷風射流，MQL和低溫噴霧射流冷卻。低溫冷風射流為流量300 L/min，溫度－20℃的低溫氣體射流，射流靶距20 mm；MQL為流量100 mL/h的油霧；低溫噴霧射流選用6 mm 噴口，氣壓 0.5 MPa、水壓 0.4 MPa 的工況，噴霧介質選用冰水混合物，射流靶距20 mm。

2.2 測量裝置與方法

為了能夠實時監測到銑削溫度變化，試驗中采用分塊試件半人工夾絲熱電偶測量方法，測溫系統示意圖如圖2所示。信號直接由HP3562信號分析儀捕捉記錄。測量時，以直徑為φ0.21 mm的康銅絲為一極，工件為另一極，同時保證工件、康銅絲與機床三者相互絕緣。當銑刀切至中間的康銅絲時，會使康銅絲焊接在鈦合金上形成閉合回路，康銅絲與試樣的接觸點就形成了熱電偶的熱端。通過測量熱電偶的熱電勢而間接得到切削鈦合金時的切削溫度。對于TC4與康銅絲組成的非標準熱電偶，可根據TC4和康銅的標準熱電偶標定曲線換算出刀尖和工件加工表面平均溫度。

刀具磨損測量系統是由數碼相機、工具顯微鏡及刀具磨損測量軟件組成。在相同切削行程的情況下測量后刀面磨損量。

工件表面粗糙度的測量選用Pert hometerM2型表面粗糙度測量儀。

2.3 試驗結果分析

2.3.1 不同冷卻條件下的銑削溫度對比

根據半人工夾絲熱電偶方法，測量高速銑削溫度。圖3給出了在不同切削速度條件下不同冷卻方式對切削刃和工件表面溫度的影響曲線。從圖3可以看出：采用低溫噴霧射流冷卻方式對銑削加工區域具有明顯的降溫效果，即使在切削速度達到300 m/min時，工件加工表面溫度依然遠遠控制在100℃以內，刀尖的溫度也控制在250℃以內。

2.3.2 不同冷卻方式下刀具磨損對比

刀具磨損試驗均是在相同的切削長度（3 m）條件下獲得的，圖4為不同冷卻方式下后刀面磨損隨切削速度變化曲線。從圖4中可以看出：切削速度是影響后刀面磨損的重要因素。在任何一種冷卻方式下，后刀面磨損隨著切削速度的提高而增大。但是，在相同的切削速度條件下，采用低溫噴霧射流冷卻方式的后刀面磨損都低于其他兩種冷卻方式，尤其是在較高的切削速度條件下效果更為明顯。

低溫冷風射流冷卻時刀具磨損最為嚴重，磨損帶寬度差異較大，而低溫噴霧射流冷卻時刀具磨損最輕。

2.3.3 不同冷卻方式下工件加工表面粗糙度對比

圖5為不同冷卻方式下工件加工表面粗糙度隨切削速度不同的變化曲線。從圖5中可以看出：工件加工表面粗糙度值隨銑削速度的提高均有不同程度的減小，當切削速度高于200 m/min時，表面粗糙度值減小趨勢有所減緩，基本維持在0.25～0.2 m范圍內，這是由于隨著銑削速度的提高，工件材料的塑性變形減小的緣故。從三種冷卻方式條件下的工件加工表面粗糙度對比可以發現，采用MQL時，由于潤滑性能較好，表面粗糙度值也最小，但低溫噴霧射流同樣可以使工件加工表面維持較小的表面粗糙度值。

3 結語

通過對不同冷卻方式下銑削溫度、刀具磨損及工件加工表面粗糙度等方面的對比試驗可以看出：

（1）采用低溫噴霧射流冷卻方式可以有效地降低銑削溫度，包括刀具溫度和工件加工表面溫度；同時也是由于這種冷卻方式的冷卻和潤滑作用，降低了切削區溫度，使得刀具磨損減小，提高了刀具壽命，工件的加工表面質量也獲得了一定的提高。

（2）低溫噴霧射流冷卻方式以水作為冷卻介質，對加工區進行沖擊冷卻，不僅使換熱效果獲得了大幅度提高，而且對環境無污染。它可以有效解決難加工材料加工中現有冷卻技術因未能充分發揮冷卻介質的換熱潛力而無法達到其最佳換熱效果的難題以及在保證清潔化生產的前提下大幅度提高材料去除率的問題，因此該項技術可望完善成為一項可以用于難加工材料高效加工的綠色制造新工藝。

（3）低溫噴霧射流冷卻方式由低溫氣流與0℃水混合霧化而成的，在實際加工中，水的腐蝕作用對機床和工件造成損壞尚有待于研究。

［1］耿國盛，徐九華，傅玉燦，等.高速銑削近α鈦合金的切削溫度研究［J］.機械科學與技術，2006，25（7）：329 －332.

［2］安慶龍，傅玉燦，徐九華，等.低溫氣動噴霧射流沖擊冷卻技術在鈦合金磨削中的應用［J］.中國機械工程，2006，17（11）：1117 －1120.

［3］何寧，李亮，趙威，等.難加工材料高性能加工的冷卻潤滑技術［J］.航空制造技術，2007（7）：46 －48.

［4］韓榮第，張悅.采用氣體射流冷卻潤滑綠色切削技術的研究進展［J］.工具技術，2006，40（1）：6.

作者：吳雄彪，男，1965年生，副教授，碩士，主要研究方向為機械制造工藝/機電一體化。

（編輯 孫德茂）

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Affection of Low-temperature Spray Jet Cooling Technology on TC4 High-speed Milling Performance

WU Xiongbiao
（Jinhua College of Vacation and Technology，Jinhua 321007，CHN）

2010－02－18）

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