东莞安默琳机械制造技术有限公司
摘要：先进的冷却润滑方式是钛合金等难加工材料高速切削过程中抑制刀具磨损和保证加工质量的主要手段之一。加工钛合金等难加工材料时，将低温CO2作为切削介质，可有效减小刀－屑界面的摩擦和切削力，降低切削温度，从而提升刀具的耐磨性和工件已加工表面的质量。本文就TC4钛合金在低温CO2冷却下的切削性能展开分析。
关键词：TC4钛合金；低温；CO2；冷却；切削性能
1、强压液态CO2供给系统
图１为强压液态CO2供给系统组建图。该系统取消了减压阀，并用Hose-602-0601-32MPa-MT型钢丝编织液压软管替换普通压力软管，来构建高压低温液压管路。瓶内的液态CO2会以15MPa的强压喷出，射流压力高于供给系统。
为便于调节射流喷射角度，喷嘴通过球阀与管路连接。该喷嘴可以将强压干冰混合物以最佳射速和流量喷出，并形成密集高速的低温CO2射流。外喷冷却时，喷射距离对冷却能力有较大影响。为了获得最佳射流温度，采用XMT3000测温仪测得了不同喷射靶距下，抵达切削区的射流温度。显然，在喷射靶距为40㎜时，可获得最佳射流温度-73℃。因此，本次试验中的喷射靶距均设定在40㎜左右。
图1低温液态CO2冷却装置
2、试验条件与方法
2.1工件材料、刀具与测量设备
试验采用TC4钛合金棒料，工件长240㎜，直径100㎜。退火态TC4钛合金棒料的主要力学性能为：剪切强度τ=656MPa，屈服强度σ=969MPa，延长率δ=16.2%，变形率ψ=16.2%。刀杆型号为SCLCR2020K12。刀具为PCD刀具，刀具型号为CCGT120404NN，刀具几何参数为：前角γ0=15°，后角α0＝7°，过渡棱宽0.2㎜，刀尖圆弧半径0.4㎜，安装刀片后刀具主偏角Kr＝80°。切削试验在车床C6132AI上进行，使用Kis-tler9265B测力仪实时采集切削力，使用Optris infrared thermometers200红外测温仪对切削温度进行监控。切削结束后，使用M201 Dynascope显微镜来观察刀片前后刀面的磨损及磨损量。工件表面粗糙度则由Mahr-PerthometerM1粗糙度测量仪检测。
2.2切削参数与方案
采用低温CO2射流冷却和常温切削对比的方法来研究两种冷却方式对刀具磨损的影响。根据前期实验结果以及刀具推荐参数，确定如下切削参数：切削速度v=100m/min，进给量f=0.1㎜/r，切削深度ap＝1㎜。
低温CO2射流切削时，选取了两组流量：350~450g/min和550~650g/min。
3、试验结果和分析
3.1切削温度和切削力
低温CO2射流冷却切削的最高切削温度为142℃，仅为干切削的37.43%。低温CO2和干冰混合物不仅通过吸热有效降低了钛合金切屑的温度，同时也降低了钛合金和氢、氧等气体的化学反应速率。低温CO2射流冷却切削的主切削力均小于干切削的主切削力，平均减小了12%。通过试验发现，强压干冰混合物射流冷却在抑制钛合金氧化作用的同时，也阻止了硬脆表层的生成，最终有效减小了切削力。
3.2切屑外形
在350~450g/min低温CO2冷却条件下，480㎜切削行程内会出现缠屑现象，切屑为螺旋形；加大CO2用量后，切屑变成了带状且明显缩短，不再出现缠屑现象。试验表明，在低温CO2射流冲击的情况下，切屑硬直不易弯曲，且更容易被高速射出的干冰混合物吹断。刀具在CO2用量降低的情况下，切屑曲率半径减小。CO2用量达到550~600g/min后，断屑更容易而且切屑半径增大，切屑由螺旋形变成带状，因此该流量条件下的切削断屑效果优于450g/min的切削断屑效果，但是加工成本也有所提高。低温CO2冷却下的切屑相较于常温切削更加平直且易于折断，其主要原因在于，钛合金在强冷条件下，其切削区温度远低于常规切削，金属在较低的温度下保持一定的脆性，使剪切滑移更容易发生，从而使得切屑的锯齿化程度加剧，最终导致切屑不易弯曲且容易折断。
3.3刀具磨损与表面粗糙度
首先，高压低温的干冰与CO2气体混合物能有效降低刀尖附近处的切削温度。刀尖附近区域温度仅为142.7℃。
其次，大量由干冰升华而成的CO2气体很好地将PCD刀具、工件表面与空气隔绝。工件和刀具不再暴露于高温空气中，氧化过程受到抑制。较低的温度同时也抑制了刀具与工件间的化学扩散磨损。在切削钛合金时，使用低温CO2射流作为冷却剂能较好地抑制刀具磨损，其效果优于常规切削方式。低温CO2射流冷却切削1040㎜后，刀具磨损依旧低于磨钝标准，前刀面磨损仅仅为112.8μm，而且没有出现任何月牙洼磨损；一次干式车削就会出现明显的月牙洼磨损，经过3次走刀后，月牙洼就可以超过225.0μm。低温CO2射流冷却降温对PCD刀具的高温月牙洼磨损抑制有着极其明显的效果。若采用大于450g/min流量的液态CO2，刀具的磨钝过程将被更为有效地抑制。切削行程超过480㎜后，CO2流量达到550~600g/min，此时刀具磨损值并未大幅增大，前刀面磨损仅仅从105.0μm增加到112.8μm，增长7.4%。这证明当CO2用量达到550g/min时，刀具的磨钝被很好地抑制。在240㎜切削行程条件下，低温CO2冷却切削的表面粗糙度要比干切削小0.83μm，将近减小50%。切削行程为1040㎜时，粗糙度也仅仅是达到1.219μm，可见低温CO2混合物冷却剂能较好地提高工件表面加工质量。
结束语
TC4钛合金在高速车削时易出现刀具磨损快和缠屑等问题，难以保证表面加工质量。利用自行组建的强压液态CO2供给系统，将低温CO2混合物高速射流作为冷却润滑介质，研究了低温CO2射流下高速切削 TC4钛合金时的切削温度、切削力、刀具磨损、表面粗糙度以及切屑的断屑情况，并将其与干切削状况进行了对比分析。结果表明，低温CO2射流可有效降低切削温度，减小切削力，减轻切屑缠绕，抑制刀具磨损并提高已加工表面质量。
参考文献
[1]李新龙．基于低温氮气和微量润滑技术的钛合金高速铣削技术研究[D].南京航空航天大学，2014.
[2]安庆龙.低温喷雾射流冷却技术及其在钛合金机械加工中的应用[D].南京航空航天大学，2016.
论文作者:张世德
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第8期
论文发表时间:2018/8/3
标签：低温论文; 射流论文; 刀具论文; 切屑论文; 磨损论文; 钛合金论文; 温度论文; 《建筑学研究前沿》2018年第8期论文;