低溫MQL技術(shù)在TA15銑削加工中的應(yīng)用研究

康曉峰 翟 南 初宏震 王德生 單英吉

（中航工業(yè)沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110850）

低溫MQL（Minimal Quantity Lubrication）是將冷風(fēng)射流機(jī)產(chǎn)成的－30～－50℃的低溫氣流與極微量的無(wú)公害切削油（10～20 mL）混合并霧化噴向切削點(diǎn)的切削方式，代替大量冷卻液澆注進(jìn)行切削的方法，被日本

人稱為新世紀(jì)的切削法［1－3］。其加工示意圖如圖1所示。

低溫MQL在低溫空氣冷卻和微量潤(rùn)滑油潤(rùn)滑的雙重作用下，可以有效地降低、控制切削點(diǎn)溫度，有利于保持刀具的硬度并且不易產(chǎn)生積屑瘤，因此在加工難加工材料方面有良好效果，并且可以減小工件表面粗糙度值，是處理難加工材料的一種先進(jìn)的切削工藝。日本明治大學(xué)橫川和彥教授對(duì)此做了較為全面的實(shí)驗(yàn)研究［4－6］。

1 低溫MQL技術(shù)

鈦合金材料是一種難加工材料，加工中切削溫度高、刀具磨損嚴(yán)重、加工表面質(zhì)量難以保證、切削效率低、制造成本高等一直都是鈦合金加工瓶頸問(wèn)題［7－8］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鈦合金加工都有研究，其中應(yīng)用低溫冷風(fēng)切削方面也有相關(guān)研究。本文則應(yīng)用低溫MQL切削技術(shù)對(duì)鈦合金進(jìn)行銑削試驗(yàn)研究。

1.1 試驗(yàn)機(jī)床

試驗(yàn)研究所用數(shù)控設(shè)備如圖2，設(shè)備相關(guān)參數(shù)如表1。

表1 試驗(yàn)機(jī)床設(shè)備參數(shù)

1.2 低溫MQL設(shè)備

試驗(yàn)中低溫MQL設(shè)備為重慶成田生產(chǎn)的CTL－50/3.0冷風(fēng)機(jī)，如圖3。設(shè)備相關(guān)參數(shù)如表2。

表2 低溫MQL設(shè)備參數(shù)

1.3 被加工材料

被加工材料采用TA15鈦合金材料，鈦合金有以下特點(diǎn):

（1）比強(qiáng)度高。其值一般為60～150 kg/mm2，而密度小，僅為4.5×103 kg/m3。

（2）機(jī)械性能好。熱強(qiáng)度高，有些鈦合金可在800℃高溫下工作，另外，鈦合金的斷裂韌性也較高。

（3）抗腐蝕性好。對(duì)大氣、海水及其蒸氣以及一些酸、堿、鹽介質(zhì)有較高的抗腐蝕能力。

（4）工藝性差。由于鈦的導(dǎo)熱性差，摩擦系數(shù)大，使得鈦合金的切削加工性很差。同時(shí)，鈦合金在熱加工中，易于吸收氫、氧、氮、碳等雜質(zhì)，造成其強(qiáng)度增加，塑性和沖擊韌性急劇降低，因而容易在壓力加工中出現(xiàn)裂紋，甚至在加工后的存儲(chǔ)中出現(xiàn)裂紋，而且，鈦合金的塑性強(qiáng)度與斷裂強(qiáng)度值相近，其塑性變形困難，也容易造成開裂。

（5）生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本高。

（6）抗磨性差。工件加工后一般需要表面強(qiáng)化。

2 低溫MQL下切削的對(duì)比試驗(yàn)

在低溫MQL的切削環(huán)境下，主要針對(duì)鈦合金加工的刀具壽命、切削速度、工件被加工表面質(zhì)量、工件變形等情況進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

2.1 刀具壽命

對(duì)于刀具壽命的驗(yàn)證主要采用兩種刀具進(jìn)行。具體規(guī)格如下:

（1）刀具一:盤銑刀，直徑 φ160 mmR4 mm，厚度14 mm，齒數(shù)10，刀具為機(jī)夾刀片形式，加工部位為對(duì)接槽，深度46 mm。

（2）刀具二:立銑刀，直徑φ40 mmR0 mm，刃長(zhǎng)40 mm，齒數(shù)4，刀具為鑲齒焊接硬質(zhì)合金立銑刀，加工部位為對(duì)接槽外形，切削深度最大30 mm。

盤銑刀在使用冷卻液的條件下，每新裝一次刀片，僅能加工1個(gè)工件，總體的加工路徑長(zhǎng)度約17 m，而低溫MQL的切削條件下，則能夠加工近2個(gè)工件，總體的加工路徑長(zhǎng)度約30 m;而對(duì)于φ40 mmR0 mm加工外形的刀具，在使用冷卻液的條件下，每把刀具能夠加工2個(gè)工件，加工的總時(shí)間約為2 h，而在低溫MQL條件下，能夠加工3個(gè)工件，加工的總體時(shí)間約為3 h，如表3。

表3 刀具壽命對(duì)比

表4 切削效率試驗(yàn)分析表

結(jié)果分析:低溫MQL的切削條件下，對(duì)于盤銑刀及立銑刀刀具壽命提高的不同，是因?yàn)楦鶕?jù)其加工部位的不同，實(shí)際的冷卻效果有所不同造成的。盤銑刀加工時(shí)，工件的被加工部位每次去除的余量是相同的，在刀具加工的全過(guò)程中，刀具的冷卻狀態(tài)、切削狀態(tài)相同，并且排屑流暢;而對(duì)于立銑刀，由于在加工外形過(guò)程中，局部部位為槽切、局部部位為側(cè)切，其加工狀態(tài)、冷卻狀態(tài)、排屑過(guò)程都有所變化，因此導(dǎo)致在此兩種情況下，冷卻對(duì)于刀具壽命的影響相差較大。

2.2 切削效率

切削效率試驗(yàn)采用兩種刀具規(guī)格如下:

（1）立銑刀，直徑φ50 mmR4 mm，刃長(zhǎng)40 mm，齒數(shù)5，刀具為鑲齒焊接硬質(zhì)合金立銑刀，加工部位為工件上型面，切削深度平均10 mm。

（2）立銑刀，直徑φ40 mmR0 mm，刃長(zhǎng)40 mm，齒數(shù)4，刀具為鑲齒焊接硬質(zhì)合金立銑刀，加工部位為對(duì)接槽外形，切削深度最大30 mm。

對(duì)于切削效率驗(yàn)證的主要依據(jù)是在刀具的壽命基本不變的情況下，比較材料去除率，如表4。

加工過(guò)程中，φ50 mmR4 mm立銑刀主要加工工件的上型面，在加工過(guò)程中刀具的切削深度根據(jù)工件型面的變化逐漸變化，其范圍為5～12 mm。在冷卻液切削狀態(tài)下，刀具壽命約為2.5 h，加工使用的切削參數(shù)為轉(zhuǎn)速N=127 r/min，進(jìn)給Fv=65 mm/min，切寬Ae=30 mm，去除材料總體積約為2 925 cm3。在相同切削寬度及深度狀態(tài)下，使用低溫MQL切削，其刀具壽命約為2.2 h，其加工參數(shù)為轉(zhuǎn)速N=178 r/min，進(jìn)給Fv=90 mm/min，切寬Ae=30 mm，去除材料總體積約為3 564 cm3。φ40 mmR0 mm立銑刀主要加工工件對(duì)接槽外形，在使用冷卻液條件下，刀具壽命約為2 h，加工參數(shù)為轉(zhuǎn)速N=158 r/min，進(jìn)給Fv=65 mm/min，平均切寬Ae=12 mm，平均切深25 mm，去除材料總體積約為2 340 cm3。在低溫MQL切削狀態(tài)下，刀具壽命約1.9 h，加工參數(shù)為轉(zhuǎn)速N=158 r/min，進(jìn)給Fv=65 mm/min，平均切寬Ae=12 mm，平均切深25 mm，去除材料總體積約為3 213 cm3。試驗(yàn)證明采用MQL技術(shù)，切削效率都有明顯提高，如表4，說(shuō)明MQL技術(shù)具有明顯的冷卻效果和應(yīng)用發(fā)展前景。

2.3 表面質(zhì)量

工件加工的表面質(zhì)量與很多因素有關(guān)，如工藝系統(tǒng)的剛性、刀具的剛性，主軸跳動(dòng)、刀具跳動(dòng)、刀柄跳動(dòng)及刀具安裝后的整體跳動(dòng)，工件的裝夾穩(wěn)定性，每齒進(jìn)給量等。當(dāng)然，潤(rùn)滑冷卻的效果對(duì)于工件加工的表面質(zhì)量同樣有影響，由于現(xiàn)場(chǎng)使用的設(shè)備已經(jīng)老化，因此工件加工的表面質(zhì)量必然受影響。

在實(shí)際加工工件過(guò)程中，針對(duì)多把刀具進(jìn)行觀察，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，使用低溫MQL進(jìn)行冷卻的工件加工后的表面質(zhì)量較使用冷卻液加工的工件表面質(zhì)量要有明顯提高。但是對(duì)于工件的加工表面未進(jìn)行微觀測(cè)量，因此無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)比照，但是直觀地目視結(jié)論是使用低溫MQL加工的工件表面質(zhì)量好。

2.4 工件變形

一般情況下，工件加工后都存在變形現(xiàn)象，無(wú)論是使用何種方式進(jìn)行冷卻及潤(rùn)滑，工件在不同程度上都有變形，不過(guò)，冷卻及潤(rùn)滑對(duì)工件的變形有一定的影響。簡(jiǎn)單的說(shuō)，對(duì)工件加工變形影響較大的因素有工件的內(nèi)應(yīng)力及加工過(guò)程中的切削熱，工件的內(nèi)應(yīng)力是通過(guò)工序安排來(lái)避免的，而加工過(guò)程的切削熱則受加工條件的影響。

經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，使用冷卻液加工的工件在完成工件的整體切削后，工件直邊的側(cè)彎量在0.3～0.6 mm，而使用低溫MQL加工后的工件，一是在加工過(guò)程中，工件的表面溫度較低，基本上感覺不到熱的狀態(tài)，另外，加工后的工件側(cè)彎量在0.2～0.4 mm，較使用冷卻液加工的工件變形要小。

經(jīng)過(guò)分析及對(duì)比可知，在低溫MQL的切削狀態(tài)下，工件加工的表面質(zhì)量較好，變形較小，同時(shí)，加工使用的刀具切削壽命較長(zhǎng)，在保持刀具的使用壽命前提下，可以提高刀具的切削速度，提高工件的加工效率。

3 低溫MQL的局限性

雖然使用低溫MQL的加工有優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，目前使用低溫MQL同樣存在局限性，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

3.1 淺切削不適應(yīng)性

對(duì)于淺切削不適應(yīng)性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。

（1）如果切屑是連續(xù)的帶狀切屑，則刀具在切削過(guò)程中，帶狀切屑會(huì)纏繞在刀具的周圍，而采用低溫MQL進(jìn)行切削的前提是噴嘴距離刀具不宜過(guò)遠(yuǎn)，一般較為合適的距離是2～3 cm。而帶狀切屑的纏繞將對(duì)冷卻效果產(chǎn)生不良影響，導(dǎo)致切削區(qū)溫度升高。

（2）在鈦合金進(jìn)行快進(jìn)淺切的切削時(shí)，產(chǎn)生的切屑是較厚、較小的斷屑，當(dāng)切削的進(jìn)給速度、切削速度較高時(shí)，產(chǎn)生的切削熱較大一部分都在切屑中被帶走;而在低溫MQL條件的切削環(huán)境下，切屑會(huì)在瞬間被風(fēng)吹走，但是切屑上的熱量并不會(huì)很快消失，而當(dāng)大量的切屑積累后，造成切屑溫度較高，這對(duì)鈦合金來(lái)說(shuō)，較高的溫度會(huì)導(dǎo)致切削燃燒，因此這種情況下，低溫MQL的切削條件不合適。

3.2 加工過(guò)程中的污染

加工過(guò)程中的污染也體現(xiàn)在兩個(gè)方面。

（1）在鈦合金加工的過(guò)程中，如果切削量較大時(shí)，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生較大的氣味。目前因?yàn)闇y(cè)試條件有限，無(wú)法判斷所產(chǎn)生的氣味是鈦合金加工受熱后產(chǎn)生的味道，還是切削過(guò)程中微量潤(rùn)滑油產(chǎn)生的味道。

（2）使用低溫MQL的機(jī)床操作者身上會(huì)產(chǎn)生白色粉塵，而其他操作者則無(wú)此現(xiàn)象，因?yàn)闇y(cè)試使用的機(jī)床不是全封閉機(jī)床，因此不知道此粉塵是否會(huì)造成人身傷害。

3.3 深腔加工的不適應(yīng)

目前的工件加工的結(jié)構(gòu)特征較為開敞，切削過(guò)程中噴嘴可以直接將低溫冷風(fēng)吹到刀具的切削刃部位，因此其冷卻效果較好;但是，如果加工的部位有較深的槽腔，則冷卻的效果將降低。故如何解決深腔特征的加工，是需要研究的一個(gè)方向。

3.4 后續(xù)的改進(jìn)

綜上所述，低溫MQL雖然對(duì)于切削速度的提高及刀具耐用度的提高有一定的效果，但是其加工過(guò)程受一定限制，具有局限性，如欲擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，則應(yīng)在以下方面進(jìn)行改進(jìn):

（1）解決其加工過(guò)程對(duì)環(huán)境的影響;

（2）通過(guò)特殊的方式解決深腔結(jié)構(gòu)的加工;

（3）解決淺切造成冷卻不充分的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)上述研究分析表明:在低溫MQL狀態(tài)下，TA15鈦合金加工的優(yōu)點(diǎn)和局限性如下。

（1）優(yōu)點(diǎn):使用的刀具切削壽命更長(zhǎng)，工件加工的切削效率更高，加工工件的表面質(zhì)量更好，工件加工后變形更小。

（2）局限性:采用低溫MQL加工鈦合金材料，當(dāng)前還有如下相關(guān)問(wèn)題有待解決:如何改進(jìn)不適應(yīng)淺切加工，加工中產(chǎn)生附加產(chǎn)物對(duì)環(huán)境和人員的影響評(píng)估，如何改善針對(duì)深腔結(jié)構(gòu)的加工冷卻不充分等問(wèn)題。

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