超低溫微量潤滑環(huán)境下切削參數(shù)對(duì)刀具壽命的影響研究

肖 強(qiáng)，李 堯，劉金寶，王衛(wèi)敏

（中航工業(yè)洪都集團(tuán)有限責(zé)任公司，江西 南昌 330000）

0 引言

近年來，隨著國家經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)向高質(zhì)量發(fā)展，綠色清潔化加工越來越受到關(guān)注，傳統(tǒng)的切削液澆筑冷卻加工方式污染重，冷卻效果有限、廢液處理困難，受到越來越嚴(yán)格的限制。液氮冷卻加工、液態(tài)二氧化碳、超低溫風(fēng)冷微量潤滑等加工方式由于對(duì)環(huán)境的污染小，對(duì)難加工材料提升機(jī)加工去除效率明顯，受到行業(yè)的關(guān)注并迅速發(fā)展，在裝備制造、航空制造領(lǐng)域開始嘗試，并獲得一定成效。超低溫風(fēng)冷微量潤滑，由于使用成本低，對(duì)環(huán)境污染小，對(duì)刀具冷卻效果好，受到越來越多的重視。梁旭等[1]通過單因素實(shí)驗(yàn)分發(fā)現(xiàn)超臨界二氧化碳與油膜附水滴混合冷卻方式銑削鈦合金（TC4），能提供良好的冷卻和潤滑性能，有效減小加工過程中的切削力，降低切削溫度，從而獲得良好的鈦合金表面加工質(zhì)量。劉國棟和喬陽[2]發(fā)現(xiàn)低溫切削獲得表面硬度好，得到更大的殘余壓應(yīng)力，改善表面完整性。肖虎等[3]研制出了液態(tài)二氧化碳冷卻系統(tǒng)，并用于DT4 純鐵材料，發(fā)現(xiàn)可以得到極高的表面加工質(zhì)量，很適合精密薄壁車削。王西彬[4]研究了綠色切削加工的機(jī)理、關(guān)鍵技術(shù)、高速干切削的特點(diǎn)，低溫風(fēng)冷卻切削，綠色刀具的表面摩擦學(xué)設(shè)計(jì)和切削幾何特性的設(shè)計(jì)技術(shù)。喬帆等[5]設(shè)計(jì)了超低溫切削的切屑形成試驗(yàn)方案對(duì)比TC4 鈦合金和35CrMnSiA 低合金高強(qiáng)度鋼，發(fā)現(xiàn)超低溫條件可有效增強(qiáng)切屑的鋸齒化程度，有利于促進(jìn)斷屑。國外，美國洛克希德馬丁公司和知名機(jī)床企業(yè)MAG 公司合作開發(fā)了基于液氮冷卻的鈦合金低溫加工工藝，用于F35 戰(zhàn)斗機(jī)制造，延長刀具壽命8 倍以上。

然而，液氮和液態(tài)二氧化碳冷卻成本高，難以大規(guī)模推廣，國內(nèi)的一些企業(yè)制造出了低溫風(fēng)冷微量潤滑設(shè)計(jì)，只需壓縮空氣，可實(shí)現(xiàn)超低溫風(fēng)冷加工。本研究所利用珠海精芯科技有限公司的JX Neo i5 低溫風(fēng)冷微量潤滑加工系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)研究每齒給進(jìn)量和切深分別對(duì)刀具壽命的影響，探索降低刀具損耗，提升加工效率的工藝。

1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境的搭建

實(shí)驗(yàn)環(huán)境由三軸強(qiáng)力銑床、超低溫風(fēng)冷微量潤滑系統(tǒng)、壓縮空氣氣源組成，通過低溫風(fēng)冷系統(tǒng)產(chǎn)生的冷氣，通過保溫管路，沿三軸加工中心主軸輸送到加工點(diǎn)，進(jìn)行低溫風(fēng)冷加工，如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)材料采用Φ130 mm 和Φ160 mm 圓柱形的A100 鋼棒料。

圖1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境的現(xiàn)場

2 超低溫風(fēng)冷微量潤滑加工實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及環(huán)境參數(shù)的設(shè)置

2.1 超低溫風(fēng)冷微量潤滑加工實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用單一變量法實(shí)驗(yàn)：切深選擇0.5、0.6、0.8、1 mm，進(jìn)給量選擇1250、1755、2160 mm/min，選擇線速度90 m/min，進(jìn)給量1250 mm/min，切寬21 mm，以0.5 mm為基準(zhǔn)切深，對(duì)比常溫冷卻液和-60 ℃風(fēng)冷加工。對(duì)比刀具壽命，在此基礎(chǔ)上，再嘗試0.8 mm、1 mm的切深，觀察刀具壽命。實(shí)驗(yàn)除了要優(yōu)化刀具壽命，還要考察單位時(shí)間的加工去除量。為了更好地反映刀具壽命和加工去除綜合效率，定義綜合加工功效=壽命×每分鐘去除量，實(shí)際加工過程中，刀具壽命和單位時(shí)間內(nèi)的切削去除量都是要綜合考慮的要素。當(dāng)生產(chǎn)不飽和時(shí)，追求刀具壽命的提升，總生產(chǎn)價(jià)值較高；另一方面，當(dāng)生產(chǎn)任務(wù)重，需要趕生產(chǎn)進(jìn)度時(shí)，可以適當(dāng)犧牲刀具壽命，提升單位時(shí)間切削去除量。

2.2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境參數(shù)設(shè)置

采用A100（23Col4Ni12Cr3MoE）鋼作為加工對(duì)象，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量、吃刀量、溫度四要素組合，探索提升A100 材料加工效率工藝參數(shù)。超低溫風(fēng)冷微量潤滑加工的實(shí)驗(yàn)設(shè)置的具體參數(shù)如下：超低溫風(fēng)冷微量潤滑加工的實(shí)驗(yàn)條件及切削參數(shù)如表1 所示。

表1 超低溫風(fēng)冷微量潤滑加工的實(shí)驗(yàn)條件及切削參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

3.1 實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果

切削過程采用銑面，用粗加工切削參數(shù)把材料切除，在實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)比刀具磨損和加工效率，實(shí)驗(yàn)的切削路徑首先是對(duì)棒料銑一個(gè)長方體的型腔，然后把型腔四周材料銑掉。實(shí)驗(yàn)過程每隔15～30 min，把刀片取下，用影像儀觀察刀片磨損情況，直至一組刀片完全磨損，在實(shí)驗(yàn)記錄單記錄下全過程。加工30 min 后刀具磨損情況如圖2 所示。

圖2 加工3 min 后不同切削參數(shù)改變刀具的磨損情況

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

刀具名稱編號(hào)為瓦爾特Φ32R0H140；F2330.Z32.032.Z03.01.5，刀片編號(hào)為P26335-R14WSP45S（3切削刃）。通過實(shí)驗(yàn)得到切變量切深參數(shù)改變的數(shù)據(jù)記錄表如表2 所示，變量每齒進(jìn)給量改變的數(shù)據(jù)記錄表如表3 所示。低溫風(fēng)冷加工不同切削參數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表2 變量切深參數(shù)記錄

表3 每齒進(jìn)給量改變的數(shù)據(jù)記錄

表4 低溫風(fēng)冷加工不同切削參數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)性分析

在轉(zhuǎn)速固定為900 r/min，切寬固定為21 mm 時(shí)，分析每齒給進(jìn)量和切深分別對(duì)刀具壽命的影響，以及每齒給進(jìn)量與切深對(duì)每分鐘除去量的影響。上述每二者之間的相關(guān)分析如表5 所示。

表5 相關(guān)分析

在轉(zhuǎn)速固定為900 r/min、切寬固定為21 mm 時(shí)，利用相關(guān)分析研究每齒給進(jìn)量與刀具壽命、切深與刀具壽命之間的相關(guān)關(guān)系，使用Pearson 相關(guān)系數(shù)去表示相關(guān)關(guān)系的強(qiáng)弱情況。從表5 相關(guān)分析可知，刀具壽命和每齒給進(jìn)量之間的相關(guān)系數(shù)值為-0.565，接近于0，并且p 值為0.243＞0.05，因而說明刀具壽命和每齒給進(jìn)量之間并沒有相關(guān)關(guān)系。刀具壽命和切深之間的相關(guān)系數(shù)值為-0.815，并且呈現(xiàn)出0.05 水平的顯著性，因此說明刀具壽命和切深之間有著顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。也就是說通過減少切深的數(shù)值，可以提升刀具壽命。

5 結(jié)論

1）在轉(zhuǎn)速固定為900 r/min、切寬固定為21 mm時(shí)，每齒給進(jìn)量和刀具壽命之間并沒有相關(guān)關(guān)系，切深和刀具壽命之間有顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。通過減少切深的數(shù)值，可以提升刀具壽命。

2）在轉(zhuǎn)速固定為900 r/min、切寬固定為21 mm時(shí)，每齒給進(jìn)量與每分鐘去除量之間并沒有相關(guān)關(guān)系，切深和每分鐘去除量有顯著的正相關(guān)關(guān)系。通過增加切深的數(shù)值，可以提升每分鐘去除量。