呂東升　徐九華　傅玉燦　丁文鋒　嚴　凱

南京航空航天大學(xué)，南京，210016

低溫噴霧射流銑削Ti40阻燃鈦合金的刀具耐用度

呂東升徐九華傅玉燦丁文鋒嚴凱

南京航空航天大學(xué)，南京，210016

為研究低溫噴霧射流對銑削Ti40阻燃鈦合金過程中刀具磨損的改善效果，通過油冷澆注以及低溫噴霧射流冷卻潤滑方式的對比分析，探討了銑削過程中涂層硬質(zhì)合金刀具的磨損行為與耐用度。研究了低溫噴霧射流加工過程中氣體壓力、液體壓力、靶距、液體流量對銑削溫度的影響，利用響應(yīng)曲面法建立了刀具銑削溫度數(shù)學(xué)模型，確定了噴霧射流參數(shù)的最佳值，并進行了銑削驗證。結(jié)果表明：低溫噴霧射流較油冷澆注冷卻潤滑方式可更有效地抑制刀具磨損，能夠成倍地提高刀具耐用度；建立的刀具銑削溫度模型有效度高，誤差較小，通過優(yōu)化低溫噴霧射流參數(shù)有效提高了刀具耐用度；低溫噴霧射流銑削Ti40阻燃鈦合金的最佳參數(shù)值為：氣體壓力0.5 MPa，液體壓力0.5 MPa，靶距5 mm，液體流量83 mL/min。

銑削溫度；Ti40阻燃鈦合金；低溫噴霧射流；刀具耐用度；響應(yīng)曲面法

0　引言

低溫噴霧射流技術(shù)是一門新興的綠色制造技術(shù)，它集低溫氣液兩相強對流、射流沖擊、充分汽化三項強化換熱優(yōu)勢于一身，能夠?qū)崿F(xiàn)少量切削液高效冷卻加工，避免了傳統(tǒng)切削液澆注冷卻污染環(huán)境的弊端。目前國內(nèi)外學(xué)者對低溫噴霧射流技術(shù)的研究逐漸增多，例如，An[1]等通過試驗證明了低溫噴霧射流切削可以成倍地提高切削區(qū)域傳熱系數(shù)，降低切削溫度，提高刀具耐用度。

另一方面，阻燃鈦合金Ti40是一種新型穩(wěn)定β相鈦合金，主要應(yīng)用于制造具有高強度、高韌性和阻燃特性的高推重比航空發(fā)動機壓氣機機匣零部件。它可以承受高溫高壓作用，同時最大程度地降低鈦火現(xiàn)象的發(fā)生。但是，鈦合金由于具有切削溫度高、刀屑接觸面積小、易粘刀等加工特性，是公認的難加工材料之一，尤其是β相鈦合金更難加工。盡管國內(nèi)外對鈦合金材料的銑削機理已進行了大量研究[2-18]，其中不乏綠色切削鈦合金的研究，但距離徹底解決鈦合金的切削加工難題仍有不少問題需要突破。

鑒于此，本文針對阻燃鈦合金Ti40材料，采用了兩種冷卻方式(包括油冷澆注和低溫噴霧射流)對其進行銑削試驗，對比研究冷卻方式對Ti40材料銑削加工刀具磨損行為的影響，分析了刀具磨損機理。在確認低溫噴霧射流冷卻方式優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，建立了刀具銑削溫度模型，并進行了試驗驗證。

1　試驗方法及試驗系統(tǒng)

1.1試驗材料

工件材料為Ti40阻燃鈦合金，是一種由V、Cr和Si固溶強化的Ti-V-Cr高合金純β型鈦合金，其化學(xué)成分見表1。工件材料的熱處理狀態(tài)為固溶+時效。硬度為HRC29～36。常溫下Ti40的主要物理力學(xué)性能見表2，其在不同溫度下的力學(xué)性能見表3?？梢钥闯?，它是一種高溫純β型鈦合金，具有較好的高溫力學(xué)性能以及高溫阻燃特性，因而切削該鈦合金時，刀刃切削區(qū)溫度高，承受的壓力大，刀具磨損嚴重。

表1　Ti40阻燃鈦合金的化學(xué)成分[4](質(zhì)量分數(shù))　%

表2　Ti40阻燃鈦合金的主要物理力學(xué)性能[4]

表3　Ti40阻燃鈦合金在不同溫度下的力學(xué)性能[4]

1.2試驗條件及方法

1.2.1試驗條件

試驗機床為XS5040立式銑床，采用三維視頻顯微鏡記錄和測量刀具磨損。使用的冷卻潤滑劑為30號機油和煤油混合油，體積比為3∶1。采用CVD耐高溫涂層Ti(C,N)-Al2O3硬質(zhì)合金刀具，直徑為25 mm，刀尖圓角半徑為3.1 mm，切削前角為22°，后角為15°，軸向傾角為12°。綜合考慮材料去除效率和刀具耐用度，試驗采用切削用量如下：銑削速度v=80 m/min，徑向切寬ae=1 mm，軸向切深ap=3 mm，每齒進給量fz=0.1 mm。

1.2.2試驗方法

試驗采用單齒，順銑。采用油冷澆注和低溫噴霧射流兩種冷卻方式。采用夾絲半人工熱電偶法測量銑削溫度，使用NI USB-6211多功能數(shù)據(jù)采集卡采集溫度信號。采用三維視頻顯微鏡(型號為KH7700)測量刀具磨損量，采用掃描電鏡(型號為Hitachi S-3400N Ⅱ)進行刀具磨損形態(tài)觀測。

對工件材料銑削加工過程中的后刀面磨損值VB進行跟蹤測量，在磨損較均勻的位置測量三次后取平均值，即VB=(L2+L3+L4)/3，如圖1所示，L1為磨損前的切削刃所在位置，L2、L3、L4為切削刃磨損后的三處測量值。測量時間的間隔根據(jù)刀具磨損發(fā)展速度的快慢進行適當調(diào)整，測量過程一直持續(xù)到刀具達到相應(yīng)的磨鈍標準為止。刀具磨鈍標準取后刀面平均磨損值VB=0.2 mm。

圖1　刀具磨損的測量

1.3低溫噴霧射流系統(tǒng)

低溫噴霧射流系統(tǒng)如圖2所示。高壓氣體經(jīng)過調(diào)壓閥調(diào)整后一路進入冷卻槍1成為低溫氣體，隨后進入到氣動霧化噴嘴2的氣體入口端，另一路進入密封良好的容器3內(nèi)，由氣壓壓出溶液，進入氣動霧化噴嘴2的液體入口端。高壓氣體和液體在噴嘴噴口外部混合，產(chǎn)生低溫噴霧射流。系統(tǒng)中氣路一端設(shè)有氣流調(diào)節(jié)閥，用以調(diào)節(jié)氣路中的氣流量，同時氣路中冷卻槍的氣溫調(diào)節(jié)閥用于調(diào)節(jié)氣體壓力和溫度，調(diào)節(jié)后低溫氣體壓力為0.2～0.5 MPa，低溫氣流溫度范圍為-10～5 ℃。液路一端通過氣動霧化噴嘴流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)冷卻潤滑液的使用量。噴嘴噴射方位可調(diào)并定位在與進給方向成135°的角度，靶距可調(diào)。

圖2　低溫噴霧射流系統(tǒng)

2　試驗結(jié)果與比較

2.1冷卻潤滑方式對刀具磨損的影響

為研究不同冷卻潤滑方式下銑削刀具的磨損過程，通過三維視頻顯微鏡跟蹤測量刀具后刀面磨損情況，得到圖3所示的后刀面磨損量隨銑削時間的變化曲線。本試驗銑削過程中，油冷澆注冷卻油的使用量為1860 mL/min，低溫噴霧射流氣體壓力為0.5 MPa，液體壓力為0.5 MPa，液體流量為96 mL/min，靶距為10 mm。噴嘴冷卻潤滑后刀面。

Ti40阻燃鈦合金不僅彈性模量小，熱導(dǎo)率小，而且高溫下的強度下降很慢，此外，高溫下的斷裂韌性不降反升，因而切削溫度很高。高溫導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀具工作環(huán)境惡劣，刀具耐用度很低，必須采用在刀具表面涂抹涂層以提高高溫耐磨性。由圖3曲線可明顯看出低溫噴霧射流方式下刀具耐用度較油冷澆注高1倍。主要原因在于，低溫噴霧射流冷卻過程中，低溫噴霧射流霧滴密度很高，霧滴粒徑小且具有較大的沖量，冷卻潤滑介質(zhì)比澆注冷卻更容易充分地進入切削區(qū)域，熱導(dǎo)率較高，由此降低了切削區(qū)溫度，同時高速氮氣流減小了刀具與工件間的摩擦，刀具涂層不易過早剝落，冷卻與潤滑行為同時作用，大大降低了刀具磨損速率，提高了刀具耐用度。難加工材料加工過程中，由于低溫噴霧射流霧滴粒徑更小，更易進入切削區(qū)，通常能夠起到較好的潤滑作用，使得刀具磨損較均勻。因此，阻燃鈦合金Ti40銑削過程中雖然銑削溫度過高，但低溫噴霧射流能夠有效降溫，導(dǎo)致切削刀具溫度保持在相對較低水平，刀具磨損減緩，刀具耐用度遠高于油冷澆注的刀具耐用度。

圖3　油冷澆注和低溫噴霧冷卻條件磨損曲線對比

銑削過程中，刀具切削溫度越高，切出后冷卻降溫幅度越大，Ti(C,N)-Al2O3涂層剝落就越劇烈，如圖4所示。可以看出，油冷澆注條件下刀具后刀面磨損嚴重，這是因為油冷澆注冷卻下切削區(qū)的冷卻油在銑削高溫下發(fā)生沸騰，后續(xù)的切削液不能及時進入切削區(qū)域，切削溫度較高，而在低溫噴霧射流冷卻下，前刀面涂層剝落較明顯，這是因為該冷卻條件下刀具后刀面切削溫度急劇降低，前刀面的Ti(C,N)-Al2O3涂層與硬質(zhì)合金基體由于熱膨脹系數(shù)不同，結(jié)合部產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，進而生成裂紋，裂紋不斷擴展，最終導(dǎo)致剝落；但是在低溫噴霧射流條件下，后刀面涂層看不到明顯剝落現(xiàn)象且后刀面磨損帶寬度差異較小，刀具磨損形貌較油冷條件下得到明顯改善。對切削刃部A區(qū)域進行EDS能譜分析，從元素分析結(jié)果來看，刀具基體成分主要包括：W元素占66.80%，C元素占25.48%，Co黏結(jié)劑占7.72%，沒有檢測到Ti、N、Al元素，表明此處刀具表面的Ti(C,N)-Al2O3涂層已剝落。

后刀面磨損形貌前刀面磨損形貌(a)低溫噴霧射流條件下刀具磨損形貌

后刀面磨損形貌前刀面磨損形貌(b)油冷條件下刀具磨損形貌圖4　不同冷卻條件下刀具磨損形貌

2.2最佳噴霧射流參數(shù)的優(yōu)化

(a)油冷澆注條件下的銑削溫度

(b)低溫噴霧射流條件下的銑削溫度圖5　不同冷卻條件對銑削溫度的影響

由上述試驗結(jié)果可知，相對于油冷澆注冷卻潤滑方式，低溫噴霧射流冷卻方式不僅大大提高了刀具銑削Ti40阻燃鈦合金的刀具耐用度，而且改善了后刀面磨損形貌。對低溫噴霧射流冷卻和油冷澆注條件下的切削溫度進行了測量，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，采用低溫噴霧射流時的最高銑削溫度530 ℃比油冷澆注時的最高銑削溫度625 ℃降低了95 ℃。鈦合金銑削溫度的降低有利于刀具耐用度的提高[18]，Ti40阻燃鈦合金的刀具耐用度由油冷條件下的16 min提高到低溫噴霧射流時的34 min。

根據(jù)文獻[19]的研究，低溫噴霧射流過程中，影響強化換熱的因素主要有射流速度、霧滴粒徑、噴霧流量和靶距，而這些因素在實際工作中的控制是直接通過調(diào)節(jié)氣體壓力、液體壓力、靶距、液體流量這四個因素來實現(xiàn)的，但是這四個因素對銑削溫度和刀具耐用度的影響規(guī)律還未明確。因此，需要建立刀具溫度及耐用度和低溫噴霧射流參數(shù)的關(guān)系模型，優(yōu)化出最佳噴霧射流參數(shù)?？紤]到阻燃鈦合金Ti40銑削溫度高是刀具快速磨損的主要原因，因此應(yīng)采取控制銑削溫度的方法來控制刀具磨損進程。本文采用響應(yīng)曲面法[20]建模和分析4個噴霧射流因素變量對銑削溫度的影響規(guī)律，進而間接反映出對刀具磨損的影響規(guī)律。選擇二次響應(yīng)曲面方程，考慮所有的一次項、二次項和兩兩交叉項，銑削溫度響應(yīng)和4個因素變量之間的關(guān)系表示如下：

即

式中，x1為氣體壓力；x2為液體壓力；x3為靶距；x4為液體流量；b0、bi、bii、bij為系數(shù)。

θ=641.57-58.59x1-79.25x2+

(1)

表4　低溫噴霧射流因素水平表

對回歸方程進行F檢驗。從表6可以看出，二次回歸模型F值為8.91，其對應(yīng)的概率P<0.0001 ,表明對切削溫度建立的回歸模型極其顯著。切削溫度的失擬項p=0.7978>0.05，表明回歸模型的失擬不顯著，采用響應(yīng)曲面法建立的切削溫度的回歸模型是有效的，可以用此模型對銑削溫度進行分析和預(yù)測。

表5　關(guān)于銑削溫度的響應(yīng)曲面法試驗設(shè)計及結(jié)果

表6　銑削溫度回歸模型F檢驗表

從式(1)及圖6可以看出，刀具銑削溫度與氣體壓力、液體壓力、靶距成線性關(guān)系，而銑削溫度與液體流量成非線性二次函數(shù)關(guān)系，說明液體流量的使用量存在一個最優(yōu)值。本文采用試驗方法對已得出的數(shù)學(xué)模型進行驗證，在選定氣體壓力、液體壓力和靶距的基礎(chǔ)上，研究液體流量對銑削溫度和刀具耐用度的影響，并確定Ti40材料銑削加工時的最佳用量。為獲取最低的銑削溫度值及其相應(yīng)的低溫噴霧射流參數(shù)，對建立的數(shù)學(xué)模型進行最優(yōu)化。最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如下：

目標函數(shù)為

(a)氣體壓力對銑削溫度的影響

(b)液體壓力對銑削溫度的影響

(c)靶距對銑削溫度的影響

(d)液體流量對銑削溫度的影響圖6　低溫噴霧射流因素對銑削溫度的影響規(guī)律

min(θ)=641.57-58.59x1-79.25x2+

(2)

約束方程為

選用初始值為x0=(0,0,0,0)T，求得最優(yōu)解為x=(0.5,0.5,5,83.24)T，minθ=511.8，即在給定參數(shù)范圍內(nèi)選取氣體壓力為0.5MPa，液體壓力為0.5MPa，靶距為5mm，液體流量為83.24mL/min時(后續(xù)驗證試驗取整數(shù)83mL/min)，可獲得最低銑削溫度為511.8 ℃。這表明低溫噴霧射流銑削采用上述參數(shù)既降低了銑削溫度，有利于刀具耐用度的提高，又減少了氮氣和冷卻油的使用量，節(jié)約了資源。

2.3低溫噴霧射流刀具耐用度驗證

為驗證所建立的銑削溫度數(shù)學(xué)模型及優(yōu)化結(jié)果的可行性，進行了優(yōu)化參數(shù)下的低溫噴霧射流試驗。刀具耐用度隨液體流量變化曲線如圖7所示(v=80m/min，ae=1mm，ap=3mm，fz=0.1mm)。冷卻潤滑劑流量在氣體壓力為0.5MPa，液體壓力為0.5MPa，靶距為5mm，液體流量為83L/min時，冷卻潤滑效果最好，刀具耐用度約40min，比原來的34min提高了17%，驗證了所建數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化結(jié)果的有效性。由低溫噴霧射流的冷卻機理分析可知，在同等加工條件下，刀具-切屑、刀具-工件接觸面間的接觸面積一定，則霧滴粒徑越小、射流速度越大，冷卻潤滑效果越好[20]。當靶距由10mm減小為5mm，液體流量由96mL/min減少為83mL/min時，霧滴粒徑值降低，射流速度增大，此時霧滴填充數(shù)量較多，冷卻效果較好。刀具耐用度結(jié)果說明優(yōu)化后的參數(shù)對刀具磨損的抑制作用起到了較顯著的效果。

圖7　低溫噴霧射流參數(shù)優(yōu)化后的刀具耐用度變化曲線

3　結(jié)論

(1)刀具耐用度試驗結(jié)果表明相比傳統(tǒng)澆注冷卻，低溫噴霧射流能更有效地降低切削溫度，抑制刀具后刀面磨損，并減小后刀面磨損帶寬差異，從而不僅提高了刀具耐用度，也改善了后刀面磨損形貌。

(2)采用響應(yīng)曲面法對影響Ti40阻燃鈦合金銑削溫度的低溫噴霧射流因素進行了分析，發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)低溫噴霧射流的氣體壓力、液體壓力、靶距和液體流量可以有效降低銑削溫度。提出間接通過建立銑削溫度模型并以銑削溫度最小為目標優(yōu)化低溫噴霧射流參數(shù)，從而采用優(yōu)化的參數(shù)有效提高刀具耐用度的方法。由建立的刀具銑削溫度模型優(yōu)化結(jié)果及刀具耐用度試驗驗證可知，該方法是切實可行的。

(3)在給定切削用量下(v=80m/min,ae=1mm, ap=3mm, fz=0.1mm)，低溫噴霧射流參數(shù)為氣體壓力0.5MPa，液體壓力0.5MPa，靶距5mm，液體流量83mL/min時，刀具銑削阻燃鈦合金的刀具耐用度最長，可達40min。

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(編輯王艷麗)

Tool Life for Milling Ti40 Burn Resistant Titanium Alloy with CPMJIC Method

Lü DongshengXu JiuhuaFu YucanDing WenfengYan Kai

Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing,210016

In order to investigate the improvement effects of the CPMJIC in milling Ti40 burn resistant titanium alloy, a comparative investigation on the performance of oil cooling and CPMJIC was conducted. The wear pattern and the tool life of the coated carbide tool were presented. The effects of CPMJIC parameters(target distance, oil flow, gas pressure, oil pressure) on milling temperature were analyzed. Based on the response surface methodology, a milling temperature model was built and experimentally verified in order to determine the best CPMJIC parameters. The experimental results show that CPMJC provides some advantages in terms of tool wear reduction and tool life greatly enhancement. The tool milling temperature model has good reliability and practical value. CPMJIC with gas pressure 0.5 MPa, oil pressure 0.5 MPa, target distance 5 mm, oil flow 83 mL/min provides the highest tool life during milling Ti40 burn resistant titanium alloy.

milling temperature; Ti40 burn resistant titanium alloy; cryogenic pneumatic mist jet impinging cooling(CPMJIC); tool life; response surface methodology

2013-12-16

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃資助項目(CXZZ12_0144)

TH162DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.05.001

呂東升，男，1986年生。南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院博士研究生。研究方向為綠色高效精密加工技術(shù)。徐九華(通信作者)，男，1964年生。南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。傅玉燦，男，1972年生。南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。丁文鋒，男，1978年生。南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。嚴凱，男，1989年生，南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院碩士研究生。