鈦合金零件車削過程中冷卻方式對尺寸精度和表面粗糙度的影響

吳宏強

（廈門金鷺特種合金有限公司，福建廈門361006）

0 引言

鈦合金是廣泛應用于航空工業的合金。但是，這種材料非常難加工。鈦合金的變形過程與普通材料如鋁合金和鋼材有很大的不同。在加工條件（高溫、應變率和應變）下，鈦合金根據切削參數會經歷不同的變形過程。在加工區域內的應力、溫度和振動是3個與刀具失效、尺寸誤差和表面粗糙度相關的主要因素。刀具磨損、表面完整性，尺寸誤差和生產效率是相互關聯的，是由切削參數決定的，如切削速度、進給量和切削深度，冷卻的類型和切削刀具材料。其中，冷卻、切削速度和進給量在高速切削中占主要的影響。冷卻通過降低切削溫度、在刀具-切屑間和刀具-工件間起到潤滑作用，從而提高加工性。鈦合金高速加工性的改善很大程度取決于冷卻和潤滑的有效性。提高加工性一般是延長刀具壽命、更好的表面完整性和更好的尺寸精度。

1 冷卻方式

近些年已經開發出多種技術控制切削區域的溫度和提高整體冷卻和潤滑過程的有效性，如低溫冷卻、固體冷卻劑/潤滑油、微量潤滑/半干式加工、高壓冷卻、刀具內部冷卻、壓縮空氣/氣體。Hong等設計了微型噴嘴并向切削刃和刀-屑接觸面溫度最高位置噴射液氮，從而提高刀具壽命。Wang等指出在車削Ti-6Al-4V合金時使用液氮冷卻可以提高3倍刀具壽命。Kovacevic等研究了在銑削鈦合金過程中高壓噴水冷卻可以提高表面質量和刀具壽命。在所有的冷卻方式中，冷卻介質需要進入切削區域才能有效提高切削加工性［1］。

2 刀具失效分析

不同類型的切削刀具被測試用于加工不同型號的鈦合金。產生刀具磨損的主要原因是涂層分層(涂層刀具)、黏結、磨料磨損、擴散、塑性變形和裂紋。化學反應和涂層與基體的熱膨脹系數的不同是涂層分層的兩個可能原因。工件材料與刀具的黏結在鈦合金加工中很常見。在前刀面和后刀面都可以觀察到磨料磨損。當使用涂層/未涂層硬質合金刀具在相對較高速度切削鈦合金時發現鈷和鎢原子向工件材料擴散。在緊密接觸的刀-屑界面，極端溫度和壓力的作用加速了刀具材料向工件材料的擴散。在加工時更高的溫度條件下，Ti-6Al-4V合金中的Ti、Al和V擴散到WC刀具中。在相同的條件下，WC刀具中的W和Co也會擴散到Ti-6Al-4V合金中［2］。這些過程改變了刀具成分并影響了刀具的性能。在高速切削時，發生擴散是由于更高的切削溫度和更小的刀-屑接觸界面。一般會同時出現多種刀具磨損機理，并互相影響，破壞和減弱刀具性能，加速現有裂紋的擴展［3］。

3 冷卻方式的影響分析

在設置和不設置冷卻條件下，提高鈦合金加工效率是目前研究重點。在以前并沒有研究在鈦合金切削過程中刀具磨損可以忽略不計時，不同冷卻方式、切削速度和進給量對尺寸精度和表面粗糙度的影響。鈦合金的獨特的變形機理很大程度上依賴于加工溫度。因此，當刀具磨損可以忽略不計時，尺寸誤差、圓度和表面粗糙度是依賴于冷卻方式、切削速度、進給量。M.N.Islam［4］研究了量化和優化3個參數——冷卻方式、切削速度和進給量對車削鈦合金零件尺寸精度和表面完整性的影響及它們之間的相互影響。切削條件如表1和表2所示。

表1 切削條件

表2 切削參數

3.1 對尺寸誤差的影響

方差分析顯示切削速度對于尺寸誤差具有最顯著的影響，占比P=27.10%，第二是冷卻類型，P=25.00%，進給量P=8.90%的影響最小。冷卻類型和進給量之間的相互作用在切削過程中也伴有重要角色（P=11.63%）。值得指出的是主要的影響占比61%左右，相互作用的影響占比39%。結果顯示最小直接誤差是在高冷、高速和中等進給量條件下得到的。液氮冷卻提供最優冷卻得到最小的直徑誤差，最優參數組合為高速切削（100m/min）和中等進給量（0.22 mm/r）。對于干式和冷卻液條件下，在低速和中等速度時，直徑誤差隨著進給量的增加而減小。另一方面，液氮冷卻顯示另一個趨勢：當進給量從小增加到中等水平時，直徑誤差減小，但是當進給量繼續增加到高水平時，直徑誤差增加。

3.2 對圓度的影響

冷卻類型對圓度的影響最顯著，占比P=76.75%，接著是進給量（P=6.29%），切削速度影響最小（P=0.83%），冷卻類型與進給量的相互作用也很重要，占比P=5.37%。主要影響總占比84%，互相作用的影響占比16%，因此，通過優選輸入參數很容易優化圓度誤差。因此，得到最好圓度的最佳組合為干式切削、中等切削速度（67 m/min），中等進給量（0.22 mm/r）。液氮冷卻方法導致更壞的圓度性能，干式切削的圓度最好。

3.3 對表面粗糙度的影響

進給量對表面粗糙度影響最顯著（P=97.14%），然后是冷卻類型（P=0.16%）和切削速度（P=0.08%），切削速度的影響可以忽略不計。進給量與切削速度的相互影響占比P=0.96%。相比于相互影響，主要影響（特別是進給量）在優化結果中角色最重要。

4 結語

通過M.N.Islam等進行的3種冷卻條件下，鈦合金零件在不同切削參數下的正交車削實驗，分析了冷卻條件和切削參數對零件尺寸精度和加工表面完整性進行了分析，對于優選鈦合金高效切削加工條件提供了技術基礎。

［1］ WANG Z Y，RAJURKAR K P，FAN J.Turning Ti-6Al-4V with cryogenic cooling［J］.Transactions of NAMRI/SME，1996（24）：3-8.

［2］ MOLINARI M N.Modeling of tool wear by diffusion in metal cutting［J］.Wear，2002（252）：135.

［3］ LALWANI D I，MEHTA N K，JAIN P K.Experimental investigations of cutting parameters influence on cutting forces and surface roughness in finish hard turning ofMDN250 steel ［J］.Journal of Materials Processing Technology，2008（206）：167-179.

［4］ ISLAM M N，ANGGONO J M，PRAMANIK A，et al.Effect of cooling methods on dimensional accuracy and surface finish of a turned titanium part［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2013（69）：2711-2722.