1、 引言
鈦合金具有比強度高、耐蝕性好等特點，被廣泛應用于航空航天等領域。 TC4鈦合金的難加工性主要表現(xiàn)在：TC4鈦合金的導熱系數(shù)較低，切削熱積聚于刀尖及前刀面局部范圍內(nèi)，使切削局部環(huán)境惡化，影響表面加工質(zhì)量；TC4鈦合金在高溫狀態(tài)下的化學性質(zhì)活潑，易反應生成硬化層，加劇刀具磨損；TC4鈦合金的強度、硬度高、彈性模量小以及摩擦系數(shù)較大等特點使得單位切削力大，增加功率消耗。
在實際生產(chǎn)中，由于鈦合金的難加工性以及需要從鍛坯料中去除大量材料，還存在加工效率低的問題。 隨著現(xiàn)代裝備技術的發(fā)展，高速切削技術已具備廣泛推廣的條件，并在鈦合金產(chǎn)品切削加工中得以應用［1］。 然而在高速切削狀態(tài)下，采用傳統(tǒng)的澆注式切削潤滑時，切削液一旦觸碰到高速旋轉(zhuǎn)的工件或刀具即被甩出，極難到達切削環(huán)境最為惡劣、最需要冷卻潤滑的刀尖部位。 并且澆注式供給切削液帶來的環(huán)境問題日益嚴峻，甚至飛濺的切削液將對人身健康產(chǎn)生危害［2］。 因此，在可持續(xù)發(fā)展的大環(huán)境下，制造業(yè)探索并發(fā)展了新型的冷卻潤滑方式，如干式切削（Ｄｒｙ Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ，DM）加工技術［3］、微量潤滑 （ Ｍｉｎｉｍｕｍ Ｑｕａｎｔｉｔｙ Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ， MQL） 切削技術［4］ 和低溫冷風切削加工技術［5］ 以及基于以上技術的低溫微量潤滑（Ｃｏｌｄ ｍｉｎｉｍｕｍ Ｑｕａｎｔｉｔｙ Ｌｕｂｒｉｃａ?ｔｉｏｎ，CMOL）復合增效技術［6］。
目前，大量學者對新型冷卻潤滑方式在潤滑機理［7］、鈦合金等難加工材料的應用方面［8］ 進行了研究。 Ｎａｎｄｙ Ａ.Ｋ.等［9］ 使 用CMQL技 術 車 削 加 工TC4鈦合金發(fā)現(xiàn)，CMOL 技術能夠有效降低車削力，并且在斷屑方面有一定優(yōu)勢。 蘇永生等［10］ 在干切削和低溫微量潤滑條件下研究織構(gòu)化硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金的性能，研究表明，微溝槽在CMQL條件下能有效改善刀具的摩擦學性能。 朱林等［11］ 對ＧＨ4169 鎳基高溫合金在干式、澆注式和低溫冷風微量潤滑條件下進行實驗和仿真對比，結(jié)果表明：CMOL 技術可以有效降低切削力和切削溫度，并改善工件的表面質(zhì)量。 易湘斌等［12］ 進行了高速銑削ＴＢ6 鈦合金試驗，研究表明，CMOL 潤滑條件下的表面粗糙度值最小，且表面無明顯晶粒變形。 Ｐａｒｋ Ｋ.Ｈ.等［13］研究發(fā)現(xiàn)，低溫液氮結(jié)合 MQL 可顯著改善加工狀態(tài)，但需要利用額外的復雜裝置。
近年來，針對新型的冷卻潤滑方式的應用研究不斷增多，但針對各種潤滑條件對 TC4鈦合金切削加工性影響，特別是面向 TC4鈦合金粗精加工過程仍缺乏系統(tǒng)性的研究。 本文通過實驗探究不同潤滑條件對高速車削 TC4鈦合金的切削力和表面粗糙度的影響，分析潤滑條件在不同加工階段的影響，得出CMQL條件下高速精車 TC4鈦合金的切削參數(shù)對切削力和表面粗糙度的影響規(guī)律。
2、 實驗條件及方案
2.1 實驗材料參數(shù)及設備
研究對象采用的高強度 TC4鈦合金，其主要構(gòu)成成分及力學性能如表 1 和表 2 所示。 實驗采用鑫盛機 床 公 司 生 產(chǎn) 的 ＡＤＧ15Ｍ 數(shù) 控 車 床， 可 實 現(xiàn)8000ｒ／ ｍｉｎ 高速切削；使用 Ｋｉｓｔｌｅｒ 9257Ｂ 三分量測力儀測量切削力，采用吉泰科儀 ＪＤ520 粗糙度儀測量加工表面粗糙度；選用納米涂層細顆粒合金刀具（主偏角 κｒ ＝ 45°，前角 γ0 ＝ 5°，后角 α0 ＝ 15°），刀尖圓弧半徑采用 ｒ ＝ 0． 8ｍｍ。 實驗所用的低溫和 MQL環(huán)境采用 ＳＵＮＡＩＲ 公司生產(chǎn)的超低溫微量潤滑系統(tǒng)
提供。
2.2 實驗方案
設計三組切削實驗，分別研究不同潤滑條件對切削過程的影響、不同潤滑條件在不同加工階段的影響和CMQL下切削參數(shù)對切削加工性的影響。
為了分析不同潤滑條件對 TC4鈦合金高速切削加工性的影響，采用單因素分析法，在選定的切削參數(shù)下，分別對 CMOL、冷風、澆注式三種冷卻潤滑條件下的切削力和表面粗糙度進行測量和分析。 選定的切削參數(shù)如表 3 所示。
為了分析不同潤滑條件對 TC4鈦合金粗加工、半精加工、精加工的影響，采用單因素分析法，針對干切削、澆注式潤滑、MQL 和CMQL四種不同潤滑環(huán)境進行切削力和表面粗糙度測量和分析。 各加工階段的切削參數(shù)根據(jù)實際工程經(jīng)驗選取，選定的切削參數(shù)如表 4 所示。
設計三因素三水平正交試驗，以研究CMQL條件下高速切削 TC4鈦合金各切削參數(shù)對主切削力和表面粗糙度的影響。 所選擇的切削參數(shù)范圍屬于半精加工和精加工階段，正交試驗因素水平設置如表 5 所示。
3、不同潤滑條件下的 TC4鈦合金高速切削實驗結(jié)果與討論
3.1 主切削力及表面粗糙度實驗測量結(jié)果
分別在 CMOL、冷風、澆注式潤滑環(huán)境下記錄 9組實驗測得的切削力和表面粗糙度數(shù)據(jù)，如表 6 所示。 為了確保切削力和表面粗糙度數(shù)據(jù)的精度，在同一工件上使用同組切削用量走刀 3 次，取 3 次的切削力平均值作為該組的切削力，在粗糙度測量中圓周均布采樣 3 次并取平均值，減少人為因素造成的誤差。
3.2 不同冷卻潤滑條件對主切削力的影響
圖 1 為 CMOL、冷風、澆注式潤滑環(huán)境下、以切削速度 240m/min高速車削 TC4鈦合金的主切削力對比柱狀圖。 可以看出，在相同的冷卻潤滑環(huán)境下，隨著切削深度和進給量的增加，主切削力隨之增加，很明顯，切削深度和進給量的增加使切削層公稱橫截面積增大。
量化分析如下：參數(shù)組 1 相對于參數(shù)組 2 的切削層公稱橫截面積增大了 1 倍，對應的主切削力分別在 CMOL、冷風、澆注式潤滑條件下的增大系數(shù)為2.02，2.01，1.99；參數(shù)組 3 相對于參數(shù)組 1 的切削層公稱橫截面積增大了 1 倍，對應的主切削力分別在 CMOL、冷風、澆注式潤滑條件下的增大系數(shù)為 1.76，1.76，1.80。 說明主切削力增加的主要影響因素為切削層公稱橫截面積，不受冷卻潤滑條件的影響。
在相同的切削參數(shù)下，CMOL 和低溫冷風條件能有效降低主切削力，并且CMQL降低切削阻力的效果更優(yōu)。 其中，CMOL 的主切削力比低溫冷風的主切削 力 平 均 減 小 約 16.4％ ， 并 且 參 數(shù) 組 3 中CMOL 的主切削力比低溫冷風減小 134.8Ｎ；CMOL的主切削力比澆注式潤滑的主切削力平均減小約23％ ，并且參數(shù)組 3 中CMQL的主切削力比澆注式潤滑減小了 213.6Ｎ。
從以上分析可以看出，在降低切削阻力系數(shù)方面，高速切削時CMQL優(yōu)于其他兩種冷卻潤滑加工方法。 噴嘴高速噴出的低溫汽霧有很強的吸熱能力，并且高壓汽霧能夠抵抗高速旋轉(zhuǎn)并有效到達主切削區(qū)域，實現(xiàn)較好的冷卻潤滑效果。 相對于低溫冷風，潤滑油的混合霧化可以在刀—工、刀—屑間完全形成潤滑油膜，使切削摩擦阻力降低，從而降低切削力。
3.3 不同冷卻潤滑條件對表面粗糙度的影響
圖 2 為 CMOL、冷風、澆注式潤滑環(huán)境下、以切削速度 240ｍ/min 高速車削 TC4鈦合金的表面粗糙度對比柱狀圖。 可以看出，在相同的冷卻和潤滑環(huán)境下，參數(shù)組 2 相對于參數(shù)組 1 的表面粗糙度基本沒有變化，參數(shù)組 3 相對于參數(shù)組 1 的表面粗糙度有明顯增加。 根據(jù)表面粗糙度理論公式可知，表面粗糙度與進給量和刀尖圓弧半徑有關，在相同的切削參數(shù)下，CMOL 和低溫冷風條件的表面粗糙度值略有降低，說明良好的冷卻潤滑條件能夠?qū)庸け砻尜|(zhì)量帶來提升，并且CMQL要優(yōu)于低溫冷風條件。 但是在參數(shù)組 3 中進給量較大的情況下，冷卻潤滑條件的影響程度下降。
表面粗糙度除與理論切削參數(shù)有關外，還與切削過程中積屑瘤的產(chǎn)生和消失也有極大關系。 積屑瘤產(chǎn)生的先決條件是切屑底層金屬與刀具前刀面發(fā)生黏結(jié)，從以上分析可以看出，低溫冷風和 CMOL可以快速冷卻刀具和工件，加工表面和切屑的塑性降低，抑制了積屑瘤形成和發(fā)展。CMQL可以提供良好的潤滑膜，弱化刀具和工件之間的黏結(jié)摩擦，減少刀具的磨損，并還可以降低切削過程中的振動和噪聲，有助于提高表面質(zhì)量。
4、不同潤滑條件下的各加工階段切削實驗結(jié)果與討論
4.1 主切削力及表面粗糙度實驗測量結(jié)果
根據(jù) TC4鈦合金實際樣件切削加工工藝選取不同加工階段的實驗參數(shù)，如表 7 所示，分別在干切削、澆注式、MQL 和CMQL潤滑環(huán)境下記錄實驗測得的切削力和表面粗糙度數(shù)據(jù)。
4.2 在不同加工階段時冷卻潤滑條件對切削力的影響
在干切削、澆注式、MQL 和CMQL潤滑環(huán)境下，TC4鈦合金在精車、半精車、粗車加工時的主切削力點線如圖 3 所示。
可以看出，在不同的加工階段，切削參數(shù)不變情況下，切削力在不同冷卻潤滑環(huán)境的變化幅度不大。
這說明切削參數(shù)依然是影響切削力大小的主要因素，而潤滑條件只能在一定范圍內(nèi)影響切削力。 對于精加工而言，其主切削力隨著干切削、澆注式、MQL 和CMQL潤滑環(huán)境的變化依次減小，總減小量為 18.7Ｎ，減小幅度為 17.2％ 。CMQL相較于 MQL的減小量為 2.5Ｎ，減小幅度為 2.7％ 。 說明相較于傳統(tǒng)澆注和無潤滑干切，MQL 條件下切削液能夠滲入加工區(qū)域，從而改善刀具與工件的摩擦狀態(tài)，而傳統(tǒng)澆注量大，流速低，很難深入高速切削的加工區(qū)域，僅能提供冷卻降溫效果。 對于半精加工而言，其主切削力隨著干切削、澆注式、MQL 潤滑環(huán)境的變化依次減小，共減小 121.6Ｎ，減小幅度為 26.1％ 。
但是，CMQL相 對 于 MQL 略 有 提 高， 增 加 量 為20.7Ｎ，說明 MQL 對半精加工降低切削阻力的效果更為有效。 低速、大切深已體現(xiàn)不出CMQL的優(yōu)勢，這是由于低速環(huán)境下澆注式冷卻潤滑已經(jīng)達到一定的效果，而CMQL會進一步降低刀—工切觸區(qū)的溫度，鈦合金材料塑性下降，切削阻抗增大，切削力變大。 對于粗加工而言，低速大切深環(huán)境加劇，CMOL 相對于 MQL 的切削阻抗增大效果更為明顯，反而干切削的切削力更小，這是因為無潤滑干切的溫升會對鈦合金有熱軟化效果，降低切削阻抗。
4.3 在不同加工階段時冷卻潤滑條件對表面粗糙度的影響
在干切削、澆注式、MQL、CMOL 潤滑環(huán)境下，TC4鈦合金在精車、半精車、粗車加工時的表面粗糙度點線如圖 4 所示。 從圖中可以直觀地看到精加工、半精加工、粗加工三種不同的加工階段粗糙度數(shù)值變化趨勢一致，由大到小均為干切削、MQL、傳統(tǒng)澆注、CMOL。 其中，傳統(tǒng)澆注潤滑方式相比 MQL 潤滑方式，表面粗糙度數(shù)值更小，表面質(zhì)量更高，這可能是由多種原因造成，例如切屑會影響微量油液到達工件表面、體積微小的油液顆粒容易受熱揮發(fā)、澆注式切削降低了切削加工區(qū)域的溫度等。 但 MQL更加節(jié)省切削液，這大大降低了加工成本，在工件表面質(zhì)量要求不高時優(yōu)勢更加顯著。 另外，根據(jù)不同加工階段時表面粗糙度的數(shù)值對比，再次證明切削參數(shù)的改變對粗糙度數(shù)值的影響程度大于潤滑條件，潤滑條件只能在一定范圍內(nèi)影響表面粗糙度。
5、CMQL條件下 TC4鈦合金切削正交試驗結(jié)果與討論
5.1 切削力及表面粗糙度正交試驗測量結(jié)果
按 Ｌ9（34）正交試驗方案進行 TC4鈦合金的高速切削實驗，獲得的主切削力及表面粗糙度實驗數(shù)據(jù)如表 8 所示，數(shù)據(jù)表明，在CMQL冷卻潤滑條件下主切削力均在 800Ｎ 以內(nèi)；當進給量 ｆ ＝ 0.2mm/r時，表面粗糙度 Ra＜ 0.7μｍ；當進給量 ｆ ＞ 0.3mm/r時，表面粗糙度Ra＞ 1μｍ。 為綜合分析切削參數(shù)對主切削力和表面粗糙度的影響程度與規(guī)律，分別對其進行極差分析。
5.2 主切削力極差分析
根據(jù)正交試驗數(shù)據(jù)的直觀極差分析可以確定各因素對主切削力的影響規(guī)律，并確定各因素的最優(yōu)水平組合。 通過試驗測量數(shù)據(jù)計算，整理得到正交試驗極差分析表（見表 9）。 由極差分析結(jié)果可知，在所選切削參數(shù)范圍內(nèi)，切削速度是影響主切削力的主要因素，其次分別為進給量和背吃刀量，且均大于空列，說明在高速精車 TC4鈦合金的影響參數(shù)
中，切削三要素占據(jù)主導地位。
隨著高速切削時切削速度的增加，工件表面和刀具溫度急劇升高，如果此時冷卻潤滑不及時就會導致工件和刀具燒傷，表面硬化嚴重，從而導致切削力變大以及表面加工質(zhì)量急劇下滑。CMQL給高速精車 TC4鈦合金提供了良好的冷卻潤滑條件，保證切削過程的穩(wěn)定進行。 為了分析切削參數(shù)對主切削力的影響規(guī)律，從極差分析中可知，主切削力隨切削速度的增大而減小，隨著進給量和切削深度的增大而增大。 單純考慮主切削力最?。ǖ吞冀岛哪繕耍?，理想的組合方案是大切削速度、盡可能小的背吃刀量和較小的進給量。
5.3 表面粗糙度極差分析
根據(jù)表面粗糙度Ra的實驗測量數(shù)據(jù)進行極差分析，如表 10 所示。 三個因素對表面粗糙度Ra的影響顯著程度由大到小為進給量 ＞ 切削深度 ＞ 切削速度，其中進給量為主要影響因素，這與理論表面粗糙度相匹配。 這是因為在高速精車階段，CMOL 冷卻潤滑條件保證切削過程的穩(wěn)定進行，在高速切削中難以形成對表面質(zhì)量不利的積屑瘤，保證了表面粗糙度不受其他不穩(wěn)定因素影響。 為了分析切削參數(shù)對主切削力的影響規(guī)律，從極差分析表中可知，在CMOL 切削條件下，切削速度和切削深度的改變對TC4鈦合金加工表面的質(zhì)量影響微乎其微，隨著進給量的增加，表面加工質(zhì)量變差。 選用較小的進給量可降低工件表面粗糙度。
綜合分析切削參數(shù)對主切削力和表面粗糙度的影響，考慮實際CMQL條件下高速精車 TC4鈦合金加工過程，背吃刀量由粗車或半精車留的余量決定，因此背吃刀量的選擇原則為：在確保工藝過程穩(wěn)定可控的前提下，盡可能采用較小的精車余量來實現(xiàn)降低切削力的目的；在切削穩(wěn)定的前提下盡可能選擇較大的切削速度；進給量的選擇則并非越小越好，因為過小的進給量勢必導致切削效率直線下降，并且進給量過小難以形成規(guī)則順暢的切屑，導致刀具磨損變大，因此，在保證滿足工件表面粗糙度要求的前提下應選擇較大的進給量參數(shù)。
6 、結(jié)語
通過三組 TC4鈦合金切削實驗分析得到以下結(jié)論。
（1）CMQL和 MQL 冷卻潤滑條件可在 TC4鈦合金高速切削中有效降低切削阻力和改善表面粗糙度，且CMQL復合增效技術表現(xiàn)更優(yōu)；
（2）CMOL 冷卻潤滑條件在高速精車削階段才體現(xiàn)出降低切削阻力的優(yōu)勢，對低速大切深的粗加工階段反而不利；
（3）考慮CMQL條件下高速精車 TC4鈦合金的加工效率，最佳參數(shù)組合為較高切削速度、較小的精加工余量和合適范圍內(nèi)較大的進給量。
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第一作者：國秀麗，講師，安陽工學院機械工程學院，455000 河南省安陽市
Ｆｉｒｓｔ Ａｕｔｈｏｒ：Ｇｕｏ Ｘｉｕｌｉ，Ｌｅｃｔｕｒｅｒ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉ?ｎｅｅｒｉｎｇ，Ａｎｙａｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ａｎｙａｎｇ，Ｈｅｎａｎ 455000，Ｃｈｉｎａ
通信作者：張程焱，博士，講師，許昌學院電氣與機械工程學院，461000 河南省許昌市
Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ Ａｕｔｈｏｒ：Ｚｈａｎｇ Ｃｈｅｎｇｙａｎ，Ｐｈ． Ｄ． ，Ｌｅｃｔｕｒｅｒ，Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｕｃｈａｎｇ Ｕｎｉ?ｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｕｃｈａｎｇ，Ｈｅｎａｎ 461000，Ｃｈｉｎａ
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