摘要：冷卻劑在鈦及其合金等高反應性材料高速加工中的有效性尚不確定。因此，在進行高速加工之前，更好先研究微量潤滑(MQL)的有效性。本文討論了MQL技術對利用物理氣相處理(PVD)涂層硬質合金工具加工Ti-6Al-4V的可加工性的影響。所研究的可加工性參數為所產生的切削力和刀具壽命。研究了在干燥和近干燥(或MQL)加工條件下的性能。對于近干式加工，研究了50和100mL/H的兩種冷卻液流量。在120、135和150m/min三個不同水平的切割速度下測試了霧冷卻劑的有效性。在切割速度為135m/min時，霧冷卻劑的應用更有效。在這種速度下，當使用更多的冷卻劑時，工具壽命更長。切削速度和冷卻劑流速對表面粗糙度的影響不顯著。表面粗糙度對進料速率和切割深度更為敏感。在機械加工早期，MQL對切削力沒有顯著影響。當工具開始磨損時，MQL似乎更有效，因為工具與工件之間的接觸面積更大，從而提供更好的潤滑效果。
介紹
鈦及其合金因其材料具有誘人的特性，即高溫下的高強重比、優異的耐腐蝕性和較長的使用壽命，而被廣泛應用于航空航天工業。然而，由于這些材料因其高溫強度高、導熱系數和化學反應性低、彈性模量[1]相對較低而被歸類為難韌性材料。此外，這些材料可以在6100C的溫度下著火，唯一的材料可以在純氮[2]中燃燒。
在機械加工過程中，大部分用于去除材料的機械能變成了熱量。這種熱量在切割區域產生高溫。切割速度越高，發熱速度越快，溫度也越高。機械加工的新挑戰是利用高切割速度來提高生產率。這是刀具快速磨損的主要原因。對于鈦及其合金，由于導熱率較低，這個問題更加嚴重。在切割區域中產生的熱量的80%流向切割刀具[3]。
減少刀具磨損的傳統方法是使用切削液。這種切削液可以作為潤滑劑以及在機加工過程中使用的冷卻劑。使用切削液可以提高切削速度高達30%，而不影響刀具的使用壽命。然而，切削液的使用對經濟、環境和健康都有負面影響。切削液的總成本約為總生產成本的17%，而刀具的成本僅為4%[4]。結果表明，當大多數切削工具可以以較低的成本生產時，使用切削液不再是經濟可靠的。
處理不當的切削液可能會對環境造成損害。根據嚴格的環境保護規則，這種切割液需要適當處理。另一方面，機器操作人員暴露在切削液的負面影響中，會有如皮膚和肺部的問題[5]。
然而，由于刀具壽命不佳和表面光潔度差，完全消除切削液似乎不現實。這種快速的刀具磨損不僅具有更高的表面粗糙度值，而且具有更高的顯微硬度和主要的微觀結構變化[7]。
切割工具涂層材料的先進發展為機械加工過程做出了重大的改進。涂層材料在刀具和工作材料[8]之間創建了額外的潤滑層。這使得涂層切割工具適用的干式和近干式加工和高速切割[9]。但對于鈦及其合金的加工，由于工作材料的化學反應性，涂層材料是遠遠不確定的。
對于鈦及其合金等航空航天應用，表面光潔度的質量是非常重要的，因為它對性能、安全性、壽命、生命周期成本和可靠性的需求非常高。研究機加工部件的表面完整性現在為生產高質量的產品變得重要和必要。
鈦合金加工中的另一個主要問題是應用高速加工。高速加工的優點是更高的生產率、更好的表面加工、無毛刺邊緣和加工[11]后幾乎無應力的部件。高速加工的另一個顯著優點是施加了較低的切削力，可以減少發熱，提高刀具的使用壽命。然而，鈦合金高速加工對切削流體的需求有待研究。傳統切削流體在高速加工中的應用是無效的，因為即使施加額外的極端壓力，流體也不能穿透切屑-刀具界面。完全消除切削流體似乎并不現實，因為刀具壽命不理想，表面光潔度較差，特別是在處理耐熱材料[12]時。
研究表明，使用極低量的切削液是可行的，似乎有更長的刀具壽命和更好的表面光潔度磨削操作[9,10,12]。這種方法被稱為微量潤滑(MQL)，并被認為是近干式加工。切削液以霧的形式噴射到切削區域。這層薄霧會蒸發掉，不留下任何殘留物。唯一的問題是需要適當的霧化器來避免機器操作員呼吸這種霧。
2.方法學
2.1.工件材料
在航空航天工業中使用的鈦合金中，Ti-6Al-4V組的鈦合金是應用最廣泛的。本實驗選擇了這種材料。該材料的組成(wt%)和力學性能分別見表1和表2。
表1。Ti-6Al-4V的組成（wt%）
表2。Ti-6Al-4V在室溫條件下的力學性能
2.2.切割工具材料
本實驗采用PVD涂層碳化物。此插入件安裝在直徑16mm的端磨機上。每次實驗只使用一顆牙齒。插入件的幾何形狀為圓形，直徑為10毫米。插入物和涂層材料的顯著數據分別見表3、表4和表5。圖（1）顯示了本實驗中使用的工具和插入物。
表3。切削刀具組成
表4。刀具的物理力學性能
表5。切割刀具的幾何形狀
圖（1）。在本實驗中使用的工具和插入物。
2.3.切削液
本實驗采用了水不混溶的切削液。然而，這種冷卻劑可與溶劑或礦物油混溶。通過調節供應的空氣壓力和噴嘴的打開來達到所需的冷卻劑流量。該切削液的標稱數據見表6。
表6。切削液的力學性能
2.4.加工試驗
所有的機加工試驗均在三軸數控銑床上進行。Ti-6Al-4V試件的尺寸為100x100x160mm。實驗前對每個表面進行2mm厚的試件進行預加工，以消除外層的殘余應力和老化。
為了測量加工過程中的切削力，將該工件安裝并固定在三軸測功機上。圖（2）顯示了切削力測量的設置。
圖（2）。切割力的測量
實驗設計采用多層因子設計，本實驗采用。美國能源部的摘要如表7所示。切割的徑向深度保持不變，即10mm。圖（3）顯示了霧冷卻劑噴嘴的方向。本實驗中采用的切削類型為爬升銑削。
表7。DOE的因素和水平
圖（3）。噴嘴的有效方向為[13]。
在不同的時間間隔停止加工，逐步測量刀具磨損。當獲得以下標準時，停止工具磨損測量：
側翼磨損達到0.3mm
災難性工具故障
機加工時間達到20分鐘
3.結果和討論
3.1.工具壽命
不同切割條件下的刀具壽命數據見圖（4）所示。直方圖4(a)為本實驗中切割速度組的刀具壽命。這個直方圖顯示了切削速度和刀具壽命之間的強關系。更高的切割速度會導致刀具壽命更短。但在較高的進料速率和切割深度時，切割速度的影響不那么顯著。這是由于斷裂失效，當采用高進料率和高切割深度時，它比逐漸磨損更重要。相反，當用MQL組繪制刀具壽命直方圖，如圖4(b)所示時，刀具壽命與使用的MQL量之間沒有線性相關。
當使用高量冷卻劑時，刀具壽命更長，僅切割135m/min。在120m/min的速度下，干式加工可以提供更好的刀具壽命。由于化學磨損[14]，MQL為50mL/H下的刀具壽命較短?；瘜W磨損的證據是在磨損達到0.2mm后磨損快速增長。當涂層材料被消除時，磨損急劇增加。進度磨損增長圖如圖（5）所示。在MQL為100mL/H下，化學磨損的影響較少，因為有足夠數量的冷卻劑可以產生冷卻效果。相反，對于150m/min的切割速度，MQL100mL/H的效率低于MQL50mL/H。這是由于更大的霧顆粒不能穿透到切割區。旋轉工具產生的離心力阻礙了這種粒子的穿透。
3.2.表面粗糙度
在不同的切割條件下，表面粗糙度隨行程長度的變化數據如圖（6）所示。從得到的表面粗糙度結果來看，表面粗糙度與切削速度和冷卻劑流量之間沒有相關關系。這是因為表面粗糙度更多地取決于機床的剛度和刀具[15]的幾何形狀。此外，進料速率等切削參數對表面粗糙度也有顯著影響。實驗表明，進料速率越高，表面粗糙度就越高。
在這個實驗中獲得的表面粗糙度值較低是由于所使用的刀具的幾何形狀。圓形的插入物可以被認為是較大的鼻半徑。鼻部半徑越高，表面粗糙度值越低。在加工過程中發生的振動或顫振會對表面光潔度產生顯著影響。為了避免振動，切割參數的選擇是非常重要的。
3.3.切割力
圖（7）顯示了在各種切削條件下加工開始時獲得的切削力平均值的直方圖。在這個階段，刀具仍然鋒利。從這個直方圖中，我們可以得出結論，切削力和切削深度之間有很強的相關性。切削力和進給速度之間存在中度相關性。進給速度和切削深度越高，切削力越大。需要更多的能量才能在較短的時間內去除較高的體積。
圖（4）。(a)刀具壽命與切削速度、冷卻劑和進料速率的直方圖(b)刀具壽命與MQL、切削速度、進料速率和切削深度的直方圖。
圖（5）。不同切割速度(a)120m/分鐘(b)135m/分鐘(c)150m/分鐘。
圖（6）。不同切削速度下的表面粗糙度隨行程長度的變化。
圖（7）。切削力與MQL、切削速度、進料速率、切割(a)切削力在X軸（進料方向）(b)Yaxis（垂直于進料）(c)Z軸（軸向）上的深度的直方圖。
圖（8）。0.1mm/齒和切割深度2mm(a)切割速度120mm/min(b)切割速度135m/min(c)切割速度150m/min。
當MQL變化時，由于直方圖上不規則，切割力與MQL之間可能存在線性相關。切割速度對切割力的影響似乎不那么顯著。這是由于在本實驗中使用的切削速度的變化很小。為了研究切削速度對切削力的影響，應采用較大的切削速度變化方法。
圖（9）。實驗中記錄的典型切切形式，切切力x軸為(a)，y軸為(b)，z軸為(c)。
圖（8）中的圖表顯示了在加工過程中逐步獲得的切削力的變化。在加工結束時獲得了更高的切割力。在此階段，側翼磨損達到了0.3毫米。當刀具尖端變鈍時，刀具尖端與工件之間形成更多的接觸區域。這導致了更大的摩擦，從而增加了切割力。在這個階段，MQL的影響似乎更為顯著。在干燥條件下，切削力越大，而在施加MQL時，得到的切削力越低。
圖（9）為實驗過程中記錄的切割力的典型形式。這種循環形式的數據是由于在銑削操作過程中中斷的切削過程。周期或頻率取決于刀具的轉速。由于在這個實驗中只使用了一個插入物，所以在每個周期中觀察到單啄。切割刀具旋轉一次切割過程。
4.結論
從這個實驗中，我們可以得出以下結論：
在任何切削條件下，切削速度都是控制刀具壽命的主要因素。
MQL的應用在刀具壽命和表面粗糙度方面并不總是有效的。MQL只在一定的切割速度下才有效。在本實驗中，MQL在切割速度為135m/min時最有效，以獲得更好的刀具壽命。
由于較高的顆粒難以穿透切割區，MQL較高在切割速度下效率較低。當施加更高的切割速度時，需要更高的壓力來確保霧顆粒能夠穿透切割區。
切削參數對表面粗糙度的直接影響并不顯著。表面粗糙度更多地取決于刀具的幾何形狀和機器結構的穩定性。但與其他切割參數相比，給料速率對表面粗糙度的影響更為顯著。
雖然MQL對刀具壽命的影響不顯著，但當使用刀具磨損時，MQL似乎更有效。工具與工件之間的接觸面積越大，潤滑效果越好。
