高溫合金在MQL條件下的切削研究

張曉琴 楊欣怡

摘要：在傳統澆注式、干切削和MQL 3種不同潤滑條件下，對高溫合金材料進行了車削試驗。通過設計多因素正交試驗法，測量切削過程中的動態平均切削力;比較不同潤滑方式對切削力及切削溫度的影響，繪制出影響曲線圖，揭示高溫合金材料在車削過程中的切削力變化情況，為實際的生產加工提供參考數據。

關鍵詞：高溫合金;傳統澆注式;干切削;MQL

0 引言

在傳統的車削加工中，為保證加工精度及刀具使用壽命，通常采用澆注式切削潤滑方式，因此在加工過程中需要使用大量切削液，但是一般的切削液中往往含有大量的潤滑劑、防腐劑以及防銹添加劑，所以大量使用切削液不僅大大增加了加工成本，而且會對人體和環境造成極大危害。隨著人們環境保護意識的不斷增強，各國學者對MQL（minimum quantity lubrication）在車削加工、銑削加工和鉆削加工等方面的應用進行了研究。目前，MQL技術主要應用于鑄鐵、鋼和鋁合金的鉆孔、鉸孔和攻絲加工以及深孔鉆削等。就目前國內外研究材料來看，研究這種新型技術所用的材料都是常用的普通材料[1]，而本文研究選用高溫合金這種難加工的材料，通過對比其在干切削、澆注式切削和MQL 3種潤滑方式下的切削力、切削溫度差異，探討MQL這種綠色加工技術應用于難加工材料時的加工效果，為實際的生產加工提供參考數據。

1 MQL技術

MQL（minimum quantity lubrication）技術是將壓縮氣體與極微量潤滑液混合汽化后，噴射到加工區，對刀具和工件之間的加工部位進行有效潤滑。MQL可以大大減少“刀具-工件”和“刀具-切屑”之間的摩擦，起到抑制溫升、降低刀具磨損、防止粘連和提高工件加工質量的作用，既提高了工效，又不會對環境造成污染。

2 高溫合金的機械性能及切削性能

高溫合金是在1 000 ℃左右條件下使用的一種工程材料，廣泛應用于航天航空領域以及各種熱處理設備中。由于高溫合金中含有許多高熔點金屬元素，例如Fe、Ti、Cr、Ni、V、W、Mo等，這些高熔點金屬元素與其他金屬元素構成純度高、組織致密的奧氏體合金，而且有的元素又與非金屬元素C、B、N等構成硬度高、比重小、熔點高的金屬與非金屬化合物，使其切削加工性能變得很差。高溫合金的相對切削加工性能只有45號鋼的5%～20%。本次研究所用材料為鎳基高溫合金GH4169[2]，其機械特性如表1所示。

3 試驗及分析

3.1? ? 試驗方案及儀器

試驗方案：本次試驗運用多因素正交試驗法，將高溫合金分別在干切削、MQL、傳統澆注式潤滑條件下進行車削加工。在測量切削力時，根據實驗設備和刀具條件，選定4個因素的4個水平，設計4×4正交試驗表如表2所示，各切削參數水平取值范圍由工廠實際生產參數及機床、刀具性能估算選定。在測切削溫度時，選取統一切削用量，分別測量3種潤滑方式下的切削溫度。

試驗儀器：CTL-40/1.5型冷風機、紅外測溫儀、CA-lA動態電阻應變儀、三向車削測力儀。試驗平臺如圖1所示。

3.2? ? 試驗結果及分析

3.2.1? ? 切削力測量及分析

本文僅研究潤滑方式對切削力的影響，根據試驗數據對多因素正交試驗進行直觀分析，如表3所示。

根據表3做出分析柱形圖，如圖2所示。

經分析，與干切削相比較，使用MQL潤滑方式可以大大降低切削力;與傳統澆注式即濕式潤滑方式相比較，MQL潤滑方式下的切削力基本與濕式潤滑方式下的切削力相等。而在用量不同的MQL潤滑，即A（5 mL/h用油量）、B（8 mL/h用油量）方式下，用量大的切削力略小，但并不與切削用量成正比。所以MQL技術在切削高溫合金材料時，在減小切削力方面效果顯著。

3.2.2? ? 切削溫度的測量與分析

切削熱是切削過程的重要物理現象之一。切削溫度能改變前刀面上的摩擦系數、工件材料的性能、影響積屑瘤的大小、已加工表面的質量、刀具磨損和耐用度以及影響生產率等。圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）分別為干切削、澆注式潤滑和MQL潤滑條件下切削溫度的測試，在3種潤滑方式下的切削溫度試驗所用到的切削用量統一為切削速度35 m/min，進給量0.09 mm/r，背吃刀量4 mm。

由圖3可以看出，MQL潤滑條件下的切削溫度最小，干切削條件下的切削溫度最高。3種潤滑方式下的切削溫度對比情況如圖4所示。

4 結論

（1）在同樣的切削（除潤滑方式不同）條件下，MQL潤滑條件下的切削力比干切削條件下的小，且相差幅度較大，而與傳統澆注潤滑方式條件下的切削力基本相等。

（2）在同樣的切削（除潤滑方式不同）條件下，MQL潤滑條件下的切削溫度最小，傳統澆注潤滑條件下的切削溫度次之，而干切削條件下的溫度最高。

（3）在MQL條件下切削高溫合金這種切削性能比較差的材料時，可以達到改善其切削性能、提高刀具的耐用度以及已加工表面質量的目的。

[參考文獻]

[1] 李春勝，黃德彬.機械工程材料手冊：金屬材料[M].北京：電子工業出版社，2007.

[2] 北京市金屬切削理論與實踐編委會.金屬切削理論與實踐[M].北京：北京出版社，1979.