納米磁性切削液下Ti6Al4V 銑削機理及試驗研究*

王靈玲 陳宇曉 王正才 陳善飛

(①寧波職業技術學院海天學院，浙江 寧波315800;②浙江萬里學院應用物理研究所，浙江 寧波315101)

鈦合金Ti6A14V 具有高比強度、良好的機械性能和抗蝕性，因此廣泛應用于航空航天等領域。但是其切削性能差:鈦合金導熱系數只相當于45 鋼的1/5～1/7，切削時產生的熱不易傳出，集中在切削區的較小范圍內，溫度很高;由于鈦的化學活性大，在切削高溫下，極易吸收空氣中的氧、氮等元素形成硬脆外皮，出現冷硬現象，同時切削中的塑性變形也會造成表面硬化，加劇刀具的溝槽磨損。為此，許多文獻提出了采用氮氣介質、空氣油霧介質、氮氣油霧介質、低溫氮氣射流、微量潤滑、過熱水蒸氣等冷卻/潤滑方式［1-3］。但對于鈦合金等難加工材料的高效切削加工技術與理論研究和推廣應用中還存在許多問題。鈦合金高效切削是當今航空航天制造業中亟待解決的關鍵技術［4］。

本文提出一種新的Ti6Al4V 加工冷卻潤滑介質:納米磁性切削液。通過實驗研究在一般切削液和納米磁性切削液不同冷卻潤滑條件下的鈦合金加工刀具—工件切削特性，對提高鈦合金的加工效率與質量具有一定意義。

1 Ti6Al4V 銑削的加工機理

1.1 一般切削液下Ti6Al4V 加工刀具失效機理

初期由于切削液的冷卻潤滑作用，刀具前、后刀面溫度較低，刀具磨損較慢。但加工時前刀面與切屑、后刀面與工件之間由于緊密接觸，切削液很難進入該區域來降低溫度，鈦合金導熱系數又非常小，造成刀具與鈦合金的接觸區域溫度很高。然而，接觸區周圍由于切削液的冷卻作用，溫度遠遠低于接觸區域，產生了很大的溫度梯度，使刀具產生熱應力，形成較大的熱沖擊。熱沖擊反復作用下刀具極易發生微裂紋［5］。

1.2 納米磁性切削液下Ti6Al4V 的加工機理

磁性液體是含有3 個組分的膠體系統:一個固相(即磁性微粒)和兩個液相(即基液及表面活性劑)。固體部分的熱導作用比液相組分大一個數量級，而且在磁場中磁性納米顆粒易形成鏈狀簇，為熱傳導提供了通路。所以磁性液體具有很好的熱導性，摩擦副產生的熱量可以很快傳出。同時，磁性微粒能明顯提高基礎油的減摩抗磨性能已被很多摩擦試驗所驗證［6-10］。

在外磁場作用下，磁性微粒受到使其磁矩與外磁場方向一致的力矩。任何使它們偏離外磁場方向的傾向，都要做克服磁場作用的功。因此，外磁場的存在必定對磁性流體的粘性產生影響。磁場存在時的磁性流體粘度ηs為［11］:

式中:m1、m2分別為液體分子、單個磁性微粒質量;n1、n2分別為單位體積內液體分子、磁性微粒數量;a為液體分子的平均直徑;b 為磁性微粒平均直徑;τ為磁性微粒連續碰撞的平均時間;M 為每個磁性微粒的磁矩;H 為磁感應強度;C1為液體分子運動平均速度;C2為磁性微粒的平均速度;x、y 和z 是空間3個坐標值。

分析公式(1)、(2)得出，當磁場梯度存在的時候，磁性流體的粘度會發生變化。δ 依賴于磁場梯度，從δ的計算方程可以看出，磁場梯度是空間坐標x、y 和z的函數，即磁性流體的粘度在空間每一點上均會發生變化。

由上所述，為解決一般切削液很難進入刀具與工件緊密接觸處這個問題，可以設計合理的外界梯度磁場。在其作用下，后刀面與工件之間等切削部位的納米磁性流體粘度增加，從而改善切削部位的冷卻和潤滑效果。如圖1 所示，在Ti6Al4V 切削過程中，由于外界梯度磁場的作用，納米磁性切削液進入切削部位，又被刀具、碎屑帶走或甩出，新的納米磁性液又源源不斷地進入切削部位，在金屬新生表面形成邊界膜，使刀具與工件之間的緊密接觸處始終有液體潤滑。

1.3 納米磁性切削液引導裝置的設計

兩個軸向磁化的永磁環一定間距平行放置產生軸向梯度磁場［12］，大量磁性顆粒在其作用下聚集于兩個永磁環之間，此處磁性液體的粘度增加。由此設計了納米磁性切削液引導裝置:每個永磁環的長度為30 mm，內外半徑分別為6 mm、20 mm，兩永磁環間隔距離為11 mm。為收攏磁環端部磁力線，每一個磁環的兩端分別加上了一個內外半徑為6 mm 和20 mm，厚度為5 mm 的鐵環，如圖2 所示。永磁環采用釹鐵硼NdFeB，牌號為30AH，Br= 1. 11T，可移動底座和支架采用鋁2A11。

只要將加工工件置于本裝置上方，調整可移動底座的位置，使梯度磁場增加加工部位的磁性液體粘度，即達到引流納米磁性微粒到達切削部位的目的。

2 納米磁性液切削試驗研究

通過以上加工機理的分析，鈦合金加工在納米磁性切削液及梯度磁場的作用下，能降低刀具與工件之間的摩擦。為驗證以上觀點，開展了切削試驗研究。切削力檢測技術、聲發射檢測技術等都可以用來研究摩擦情況，其中電流法具有信息集成度高，信息獲取方便等特點［13］。本文采用電流法監測銑削力，并結合傅里葉變換的信號處理方法，從含有各種噪聲信號的工作電流中提取出切削力特征，對刀具與工件之間的摩擦情況進行分析。

2.1 實驗

為考察不同切削液對切削力的影響，在其他加工條件不變的情況下，分別對采用32 號切削油、無外加磁場的納米磁性切削液和施加梯度磁場下的納米磁性切削液3 種不同情況下的電流信號進行測量。采用如圖3 所示實驗測量系統，使用HFR -EKA 霍爾電流傳感器采集銑床主軸電機的電流信號，采樣頻率為50000 Hz，并將信號輸到示波器，示波器型號為Tektronix DPO 4034B。

將親油性Fe3O4納米磁顆粒與機械油按比例混合，放入電動勻漿機中，轉速設為20000 r/min，攪拌30 min 后倒入離心管，放入離心機，以4000 r/min 的轉速離心處理，濾除沉降物就得到穩定的納米磁性切削液，測得密度為1.1×103kg/m3，常溫下黏度為0.014 Pa·s。

如圖4 所示，切削在數控搖臂銑床上完成，型號為XK6325B，主軸電動機為變極多速三相異步電動機，頻率為50 Hz。采用φ10 mm 的TIALN 涂層硬質合金刀，切削試樣為Ti6Al4V。切削參數為轉速3000 r/min，進給量1500 mm/min，背吃刀量1 mm。

2.2 傅里葉變換

傅里葉(Fourier)變換的信號頻域在傳統的平穩信號分析和處理中發揮了極其重要的作用，它揭示了時間函數和頻譜函數間的內在聯系［13］。

設f(x)是以2π 為周期的函數，且f(x)∈L2(-π，π)，那么是L2(-π，π)的標準正交化基，則f(x)可展開為:

另外，傅里葉變換是傅里葉級數在連續情況下的推廣，因為傅里葉級數將信號分解為離散譜上函數的疊加，在對頻率變化敏感的某些應用中離散的頻率信息線顯得較為粗糙。

函數f(x)∈L1(R)的逆傅里葉變換定義為:

F(ω)的逆傅里葉變換定義為:

傅里葉變換作為一種整體變換，對信號的表征或是完全在頻域內，或是完全在時域內。t 與ω 是兩個相互排斥的變量。當采用傅里葉變換分析信號的頻域特性時，具有最佳的頻率分辨率。

2.3 不同切削液下的主軸電動機電流信號分析

對照實驗進行了10 組，對采集到的電流信號進行傅里葉變換，發現在50 Hz 倍頻諧波分量的幅值較明顯。從幅值大小來看，32 號切削油比納米磁性切削液普遍較高。圖5 所示為一組對照實驗中實驗編號相同的3 種切削液條件下的傅里葉圖譜。不同切削液必然會對各諧波分量產生影響，觀察圖5 中50 Hz 倍頻諧波分量的幅值，可以看出32 號切削油普遍比納米磁性切削液高。從50 Hz 處的幅值來看，32 號切削油最大，無梯度磁場的納米磁性切削液次之，梯度磁場下的納米磁性切削液最小。

當切削力發生變化時，必然會使電動機的驅動力矩發生變化，驅動力矩和輸入電動機電流成比例關系。電流大小會直接影響傅里葉變換的諧波分量幅值，且幅值越大電流就越大［14］。由此，我們可以根據電流信號傅里葉變換的諧波分量幅值大小來觀察機床刀具切削力的變化情況。

表1 為10 組實驗中一組50 Hz 處傅里葉變換的諧波分量幅值的對照數據，圖6 為對應的折線圖，可以看出采用納米磁性切削液的幅值總體較32 號切削油低，而且標準差也較低。說明采用納米磁性切削液，主軸電動機電流較小，其變化離散性也較小，電流穩定。由此，可以推斷使用納米磁性切削液時，刀具與工件之間的銑削力較小，而且較穩定。

表1 不同條件下50 Hz 處的幅值

分析同樣使用納米磁性切削液，在沒有外磁場作用和施加梯度磁場兩種情況下的潤滑效果。從圖6 可以看出沒有外磁場作用時，切削初期由于納米磁性切削液充分接觸切削加工部位，潤滑效果明顯。但是，在實驗編號為5 到8 之間，其電流信號傅里葉變換的諧波分量幅值比32 號切削油的還要大，說明加工時，當磁性微粒不能大量有效地到達切削部位，潤滑效果下降。施加梯度磁場時，圖6 顯示其幅值持續較低，說明能使其潤滑效果持續穩定。

3 結語

Ti6Al4V 銑削加工中，由于納米磁性切削液在外加的梯度磁場作用下，運動的磁性微粒能持續地被引入到后刀面與工件之間非常狹小的縫隙空間，所以能夠明顯改善Ti6Al4V 切削部位的冷卻、潤滑效果。實驗結果表明在梯度磁場作用下使用納米磁性切削液時，刀具與工件之間的銑削力較小，而且波動也小，比沒有外界梯度磁場作用的潤滑效果明顯且穩定。

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