高潤滑性鈦合金切削液的制備及加工驗證*

劉騰飛 王 宇 王聿禹，2 戴媛靜

(1.清華大學天津高端裝備研究院 天津 300300；2.季華實驗室 廣東佛山 528200)

鈦合金具有比強度高、熱強性好、耐腐蝕、耐熱和無毒性等優點[1]，在航空、航天領域有廣泛應用，并逐漸擴展到造船、冶金、化工、輕工、醫療等工業部門，具有很大發展潛力。然而鈦合金加工性差，屬于典型的難加工材料，具體表現為：切削溫度高，刀具磨損快；切削刃單位面積切削力大；彈性變形量大，加工表面質量差；化學活性高，冷硬、黏刀現象嚴重[2-3]。其相對切削加工性僅為45鋼的25%～38%[4]。

為提高鈦合金的加工效率及加工質量，一般均在使用切削液的條件下進行切削加工。但普通切削液難以對鈦合金形成有效潤滑，導致刀具磨損嚴重、表面質量差、加工效率低。易湘斌等[5-6]對不同冷卻潤滑條件下鈦合金高速銑削的切屑形態和切削力進行了研究，表明改善冷卻潤滑條件有利于改善鈦合金的加工狀況。所以，研究并制備對鈦合金高效潤滑的切削液尤為重要。盛德尊和張會臣[7]以水合羥乙基纖維素作為潤滑劑，研究了點接觸條件下Ti-6Al-4V的摩擦學特性，認為在摩擦過程中鈦合金與潤滑液作用產生TiO2，有利于潤滑膜吸附在摩擦表面，獲得超低摩擦因數。YANG等[8]發現以壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯水溶液作為潤滑劑可降低鈦合金的摩擦因數和磨損率，并指出磷酸酯以P-O-Ti共價鍵吸附在鈦合金表面，形成了穩定的潤滑膜。鄧富康等[9]將PAO4、季戊四醇酯、己二酸酯按質量比1∶1.5∶1.5復合作為基礎油，以硫化脂肪酸酯作為抗磨劑，制備了鈦合金切削液，可滿足鈦合金切削加工要求，但并未對其潤滑性進行詳細分析。楊茂立[10]利用FAHP對鈦合金切削液各組分及配方方案建立了優選模型。制備高效潤滑性鈦合金切削液的關鍵在于基礎油的選擇。相比于礦物油，植物油及改性植物油在金屬表面具有更好的吸附性能，更易形成有效潤滑。張強[11]發現以濃硫酸為催化劑，以乙酸、雙氧水為氧化劑，將菜籽油環氧化，可顯著改善其減摩、抗磨性能。李清華和陶德華[12]將菜籽油環氧化后和醇類反應，合成改性菜籽油，發現其具有良好的抗磨性能。

本文作者以不同基礎油制備鈦合金切削液，分析了基礎油對切削液在鈦合金表面潤滑性能的影響；并對所制備切削液進行了鈦合金切削試驗，初步探討了其在實際加工過程中的潤滑性能。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器及原料

實驗儀器主要有：電子分析天平、恒溫水浴鍋、SRV-5多功能摩擦磨損實驗機、MicrotapTTT攻絲扭矩儀、HASS Mini數控加工中心、Kistler 9129AA切削力傳感器、三維白光干涉儀、體式顯微鏡、運動黏度儀、恒溫干燥箱、冰箱、pH計、四球機。

實驗原料主要有：菜籽油、氧化菜籽油(環氧值2.36、5.03)、礦物油KN4006、礦物油150SN、乳化劑、有機堿、防銹劑、生物穩定劑、去離子水。

1.2 切削液成分組成

鈦合金切削液成分組成如表1所示。

表1 鈦合金切削液成分組成

1.3 切削液制備

切削液制備工藝：將油溶性添加劑加入基礎油中，攪拌溶解至得到澄清透明油狀物A；將水溶性添加劑加入去離子水中，攪拌至完全溶解得到澄清透明液體B；在加熱(50～70 ℃)攪拌的條件下將B加入A中，攪拌至體系均勻澄清，即得到切削液原液。

文中共制備5組切削液，不同切削液選用基礎油種類不同，但添加量相同，均為45%(質量分數)。各切削液所用基礎油種類如表2所示。

表2 各切削液所用基礎油種類

將所制備各切削液以去離子水稀釋至5%(質量分數)，外觀均為乳化液，其相關性能指標如表3所示。

表3 各切削液稀釋液相關性能指標

各切削液稀釋液pH值、粒度分布均相近，乳液穩定性均為100%。

2 結果與討論

2.1 切削液潤滑性表征

2.1.1 摩擦因數

以SRV-5多功能摩擦磨損實驗機考察鈦合金切削液的潤滑性，得到不同切削液的摩擦因數曲線。摩擦因數越小，切削液的潤滑性越好。測試條件如表4所示。

表4 切削液潤滑性測試條件

測試結果如圖1、表5所示?？芍?，在其他條件相同的情況下，以菜籽油為基礎油制備的切削液1對TC4鈦合金的摩擦因數要遠遠小于以KN4006和150SN為基礎油的切削液2和切削液3，這是因為菜籽油中含有的羥基、酯基具有較強的極性，可牢固吸附在鈦合金表面[13]，形成連續的高強度潤滑膜[14]，有效降低摩擦過程中的摩擦因數。

進一步地，以氧化菜籽油為基礎油制備的切削液4和5，所取得的摩擦因數較切削液1低；且以環氧值為5.03的氧化菜籽油為基礎油制備的切削液5的摩擦因數要低于以環氧值為2.16的氧化菜籽油為基礎油制備的切削液4。這說明，對菜籽油進行環氧化可顯著提升其對鈦合金的潤滑性能，且環氧值越高，潤滑性越好。這是因為環氧化后所產生的環氧基團能夠與其中的羥基、酯基相互協調作用，形成的潤滑膜強度更高[11]，在鈦合金表面的吸附也更牢固。

2.1.2 攻絲扭矩

切削液的扭矩值越小，則摩擦力越小，其潤滑性也越好。以MicrotapTTT攻絲扭矩儀測試鈦合金切削液的潤滑性，測試條件如表6所示，得到的攻絲扭矩測試結果如圖2所示。

表6 攻絲扭矩測試條件

由圖2可知，以菜籽油為基礎油所制的切削液1對鈦合金的攻絲扭矩平均值要小于以KN4006為基礎油所制的切削液2和以150SN為基礎油所制的切削液3，說明菜籽油對鈦合金潤滑性較佳。此外，以環氧值為5.03的氧化菜籽油為基礎油配制的切削液5所取得的平均扭矩值要低于以環氧值為2.16的氧化菜籽油為基礎油配制的切削液4，且二者均低于切削液1的平均扭矩值，進一步說明環氧化有助于提升菜籽油基礎油對鈦合金的潤滑性，且環氧值高，潤滑性好。

綜上所述，以菜籽油為基礎油制備切削液可改善其對鈦合金的潤滑性，且氧化菜籽油潤滑性更好；同時，菜籽油環氧化后具有更好的氧化安定性[15]，有助于延長切削液的使用壽命。

2.2 切削液理化性能

對以環氧值為5.03的氧化菜籽油作為基礎油配制的切削液5理化性能進行檢測，并與某進口高端商用鈦合金切削液進行對比，測試結果如表7所示。

表7 切削液5的理化性能及與商用切削液比較

2.3 鈦合金切削試驗

在圖3所示的數控加工中心上研究不同切削速度下，切削液5在鈦合金切削加工過程中的潤滑性能，主要分析了其對刀具磨損、切削力及加工面表面質量的影響，并以某進口高端鈦合金切削液作為對比。測試條件如表8所示，切削參數如表9所示。

表8 鈦合金切削試驗測試條件

表9 鈦合金切削試驗參數

2.3.1 切削力

以如圖4所示的Kistler 9129AA切削力傳感器實時采集試驗過程中切削力數據，表征切削力變化。

不同切削速度下，平均切削力試驗結果如圖5所示。可知：

(1)在所選試驗參數內，切削力隨切削速度的增加而增大，究其原因，是因為切削速度的增加導致單位時間內切削量增加，引起切削溫度上升，致使鈦合金黏附和加工硬化現象嚴重[16]；

(2)加工參數相同的情況下，切削過程中使用切削液5時，切削力均小于使用商用對比液，說明切削液5在鈦合金切削中的潤滑性能優于商用對比液，降低了刀具與工件間的摩擦，改善了鈦合金的加工狀況。

2.3.2 刀具磨損

刀具磨損往往由刀尖開始，形成不規則的三角形磨損區域，如圖6所示。

試驗以體式顯微鏡觀測刀具磨損區域，并將其擬合為規則三角形，計算磨損區域面積，面積越大，表明刀具磨損越大。

不同切削速度下，刀具磨損面積試驗結果如圖7所示。可以看到：

(1)隨切削速度的增加，刀具磨損面積呈增大趨勢，原因為，隨切削速度增大，切削力增大，切削溫度升高，并且工件振動加劇，導致刀具磨損嚴重[17]；

(2)切削速度相同的條件下，相比于商用對比液，使用切削液5可降低刀具磨損面積，當線速度小于125 m/min時，刀具無明顯磨損，這是由于切削液5具有更好的潤滑性能，減少了刀具的磨損，有助于延長刀具使用壽命。

2.3.3 表面質量

以三維白光干涉儀測定鈦合金加工面粗糙度，用以表征表面質量。不同切削速度下，加工面粗糙度試驗結果如圖8所示。可知：

(1)由于刀具磨損會使加工面粗糙度增大；而同時當切削速度達到一定值后，提高切削速度可使加工面獲得更好的表面質量[18]，所以在該試驗所選參數內，鈦合金加工面粗糙度與切削速度無明顯單向關聯性；

(2)使用切削液5所獲得的鈦合金加工面粗糙度低于使用商用對比液，進一步證明了切削液5對鈦合金優異的潤滑性，可改善表面質量，提升加工精度。

綜上所述，文中所制備的鈦合金切削液對鈦合金具有良好的潤滑性，在實際切削過程中可減少刀具與工件表面的摩擦，有效降低刀具磨損，延長刀具使用壽命，并提升工件表面質量。

3 結論

(1)相較于礦物油，以菜籽油為基礎油制備鈦合金切削液，對TC4鈦合金具有更小的摩擦因數和攻絲扭矩值。

(2)對菜籽油進行環氧化處理，產生的環氧基團可促進其在鈦合金表面的吸附，將其作為基礎油制備切削液，摩擦因數和攻絲扭矩較低，表明其對鈦合金具有更好的潤滑性，且環氧值為5.03時潤滑性優于環氧值為2.16時。

(3)通過鈦合金切削試驗表明，相比于商用對比液，以環氧值為5.03的氧化菜籽油為基礎油配制的切削液5，在鈦合金切削加工過程中，能夠有效減少刀具與工件表面的摩擦，降低切削力，減小刀具磨損，延長刀具使用壽命，并提升工件表面質量。