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技术| 低温切削技术在难加工材料加工中的应用


摘要:近年来,钛合金、高温合金、高强钢等难加工材料在航空航天领域得到广泛应用。由于此类难加工材料的高强度、高硬度、高韧性及高耐磨性等特点,导致在用传统加工工艺加工过程中出现刀具磨损严重、工件质量低、生产成本高等问题。低温切削技术的应用,降低了刀具磨损,提高了刀具使用寿命,改善了工件的表面加工质量,保证工件加工精度。同时,该技术省去了切削液及废液处理的费用,降低了加工成本,提高了加工效率。因此,低温切削技术成为难加工材料加工的主要技术之一。本文阐述了低温切削技术的发展及在难加工材料加工过程中的应用,指出了低温切削技术存在的问题,为低温切削技术的发展和难加工材料的加工提供指导。

关键词:低温切削;低温微量润滑;深冷加工;难加工材料


在金属材料加工过程中,切削热的产生和释放是影响刀具使用寿命和工件加工质量的重要因素。传统加工过程中,通过浇注乳化液来降低刀具和加工区域的温度,并利用乳化液润滑作用来降低刀具磨损,提高刀具使用寿命和工件加工质量。


近年来,钛合金、高温合金及高强钢等难加工材料得到广泛应用。由于其高强度、高硬度、高韧性及高耐磨性等特点,传统加工工艺很难解决加工过程中出现的刀具磨损严重、工件加工质量低、加工成本高等问题,且切削液的大量使用,导致环境污染,资源浪费,生产成本增加。随着人们环保意识的提高,绿色加工概念被提出,干式切削、低温切削、微量润滑切削等绿色加工技术成为研究热点。


在难加工材料加工中,低温切削技术可有效降低切削区域温度,改善工件加工质量和刀具使用寿命,成为难加工材料切削加工的主要技术之一。



1. 低温切削技术概述


金属加工过程中,在刀具-切屑界面上产生的热量会传递到3个地方:工件、刀具和切屑。如果工件吸收了太多的热量,则会发生热变形,例如尺寸的变化和自动生产锥度。过多的热量还会造成工件表面的热破坏。如果刀具吸收了过多的热量,切削刃将会很快坏掉,缩短刀具的使用寿命。理想的刀具是指能够很快地把热量从切削区转移到某些形式的冷却系统上的刀具。


传统加工工艺是在加工过程中浇注大量切削液,切削液有助于在加工操作中带走或消耗在切屑-刀具界面上产生的热,并且起到润滑作用。适当地使用某些类型的切削液或冷却系统至少能够消耗掉加工中产生的50%的热量。


钛合金、高温合金、不锈钢等材料的切削加工过程中,由于高温的影响,刀具的磨损将不断恶化,所以有效的冷却是必要的。上个世纪80年代,有人在液氮低温环境下进行钛合金的切削试验,对刀具寿命和工件质量有明显改善。MAG公司推出一种新的低温切削加工技术,可以将铣削钛合金的刀具寿命提高10倍,有效改善了工件加工质量。


通过冷却介质使加工区域温度有效降低技术称为低温切削技术。低温切削技术不仅可以有效地降低切削区域温度,使工件材料局部冷脆,增强断屑,同时减小刀具的磨损,提高刀具使用寿命和工件加工质量。目前,低温切削技术有氮气流切削法、低温冷风切削法、低温微量润滑切削法和超低温冷却切削法。从加工效果看,低温微量润滑切削法和超低温冷却切削法优于氮气流切削法和低温冷风切削法。所以,各学者主要研究方向为低温微量润滑切削技术和超低温切削技术。


1.1 低温微量润滑加工技术


低温微量润滑切削技术是低温冷风切削技术和微量润滑切削技术的结合体。


低温冷风切削是将经过干燥的压缩空气冷却到-100℃~-10℃,利用空气压力集中喷射到切削区上,能够显著均匀降低切削变形区、刀具和工件温度,延长刀具寿命,改善已加工表面质量。该方法能解决润滑液带来的污染问题,同时降低成本。


微量润滑是将微量的润滑油通过雾化喷嘴雾化成纳米级小颗粒,油雾颗粒高速喷射到切削加工区,起到降温和润滑的效果。微量润滑切削过程中,细小的雾化颗粒附着到切削区,增大与刀具工件的接触面积,起到了更好的减摩润滑效果。


为了进一步降低切削区温度,提高工件加工质量,提出了低温微量润滑切削技术。低温微量润滑切削技术将低温气体射流与微量润滑油通过雾化喷嘴喷射到切削加工区的一种高性能冷却润滑技术,它融合了低温冷风切削技术和微量润滑切削技术的优势,同时弥补了两种切削技术单独使用时存在的缺陷。


1.2 超低温冷却加工技术


超低温是指利用液态氮、液态氧及液态二氧化碳等冷却介质汽化吸热的原理,使得温度降低到200K以下的低温冷冻技术。


由于液态氮来源广泛,经济实惠无污染,且化学活性低,故液态氮成为超低温加工技术的常用冷却介质。超低温加工是利用工件材料、刀具等在超低温下的特殊物理性质来进行切削加工。超低温加工时,切削区域处于局部超低温状态,此状态下工件材料的脆性增加,而塑韧性减小,使切屑和工件容易分离,提高刀具使用寿命和工件加工质量。


超低温切削加工技术从冷却形式上划分为内冷式切削和外冷式切削。内冷式切削加工是让刀具和工件内部温度都保持一致,外冷式切削加工通常只是使工件和刀具表面温度降低,内部温度相对较高,常用的冷却加工方式为外冷式切削加工,但是内冷式切削加工效果相对较外冷式好。从冷却对象可分为冷却刀具的切削加工技术和冷却工件的切削加工技术。刀具和工件的冷却都可用内冷和外冷两种处理方式,通常工件采用外冷处理,刀具的冷却两种都有使用。在现有的切削加工中,通常直接将液氮喷射在加工区域,进行工件和刀具的冷却处理。刀具的内冷处理,通常是在刀具内部开设通道,将液氮引流至加工区域(见图1、图2)。


图1 车刀内部管道设计


图2 铣刀内部管道设计



2. 低温切削技术的应用


钛合金、高温合金、高强钢等难加工材料因其高强度、高硬度及良好的化学惰性被广泛应用于航空航天领域,传统加工冷却方式及刀具材料很难得到满意的加工质量。低温加工技术的研究和应用,使得此类难加工材料的切削加工表现出优异效果,国内外学者对该技术进行广泛深入的研究。


2.1 低温微量润滑切削技术


首先,在干切削和低温微量润滑(CMQL)条件下,研究织构化硬质合金刀具对切削Ti6Al4V钛合金性能的影响。通过开展无织构和织构化刀具切削试验,分析不同刀具在不同润滑条件下切削力和摩擦因数变化规律。试验表明:微沟槽刀具在CMQL条件下的切削性能最好,在干切削条件下的切削性能最差,表明微沟槽在CMQL条件下能有效改善刀具的摩擦学性能。


其次,在干式、浇注式和低温冷风微量润滑条件下,对难加工材料GH4169进行仿真模拟与切削试验,探究低温冷风微润滑这种绿色加工技术应用于难加工材料时的效果。用ABAQUS对GH4169在3种方式下切削力和切削温度进行仿真,并进行多因素正交实验验证仿真结果。试验表明:低温微量润滑可以有效降低切削力和切削温度,提高刀具的使用寿命和工件的表面质量。


为研究不同冷却方式对GH4169高温合金高效插铣时插铣刀具寿命的影响,设计了CO2低温微量润滑冷却系统,进行CO2低温微量润滑冷却插铣刀具磨损切削试验,并与其他冷却方式加工结果进行对比,从磨损曲线、磨损影像及磨损率3个角度对刀具磨损量、刀具刃口磨损形貌及磨损速度进行分析。试验表明,CO2低温微量润滑冷却对提高刀具耐用度有显著影响,有助于减缓刀具磨损提高刀具使用寿命,改善切削环境。


2.2 超低温冷却加工技术


一、采用高压液体CO2供气系统,对TC4钛合金在液态CO2冷却条件下进行高速切削试验。分析TC4在低温CO2强化冷却条件下高速切削时的切削温度、切削力、刀具磨损、表面粗糙度和切屑破碎情况。并与干切削状况进行对比分析。试验表明,采用液态CO2冷却剂后,切削温度、切削力、切屑破碎、刀具磨损和加工表面质量均得到改善。


二、以液氮作为冷却介质,研究大进给铣削TC4钛合金试验中刀具耐用度及刀具磨损区的宏观形貌和微观形貌,并与干铣削进行了对比分析。研究结果表明:相对于干切削,液氮冷却下超低温、大进给铣削Ti6A14V钛合金可以减缓热裂纹的产生,显著提升刀具耐用度;两种冷却润滑条件下的刀具使用寿命主要由沟槽磨损决定。


三、采用自行开发的压力液氮流量控制装置,进行液氮深冷环境下的TC4钛合金切削试验,研究不同切削加工参数、液氮深冷条件对钛合金TC4切削力、刀具磨损、刀具寿命、工件表面质量各项指标的影响规律。试验表明,深冷加工会略微增加切削力,明显改善刀具磨损,提高刀具使用寿命,改善工件表面加工质量,并且增大加工硬化程度,略微减少硬化层深度。


四、利用高速铣削TB6钛合金试验,测量观察加工表面粗糙度、表面三维形貌和表层微观组织等特征,研究冷却润滑条件对加工表面形貌和表面变质层的影响。研究表明:工艺参数对表面粗糙度影响程度依次为径向切深、切削速度、进给量和轴向切深;相比低温冷风加微油雾润滑加工时钛合金表面粗糙度值小,且表面无明显晶粒变形,表明加工表面塑性变形是影响粗糙度的主要因素。


五、设计出超低温切削试验方案,对TC4钛合金和35CrMnSiA低合金高强度钢这两种典型难加工材料的锯齿形切屑进行宏观与微观形貌分析。研究表明,超低温条件可有效增强切屑的锯齿化程度,对加工过程中的材料断屑具有促进作用。



六、比较Ti6Al4V钛合金与无涂层和涂层低温处理立铣刀铣削过程中获得的一些关键切削性能。从刀具磨损、摩擦系数、切削力和切屑形貌等方面入手,评价低温处理立铣刀的性能,采用力测功仪和干滑动试验对立铣刀进行了铣削加工。在干切削条件下,铣削速度为90m/min,进给速度为0.11mm/齿,轴向切削深度为1mm,径向切削深度为10mm。在10N载荷下,以5cm/s的速度,采用球盘式摩擦计进行了干滑试验。铣削试验结果表明,立铣刀的磨损机理主要为侧磨、崩刃和刀具断裂。切削力测量和干滑动试验表明,随着低温处理时间的增加,切削力和摩擦力值减小。研究结果表明,低温处理36h的刀具在切削力、摩擦力和刀具磨损指标方面表现出最佳性能。


七、对两种不同钛合金的低温加工进行了研究。结果表明,由于切削刀具的热负荷降低,在低温条件下加工过程的不同行为,在α+β钛合金Ti-6Al-4V的加工过程中,采用CO低温冷却比乳化液冷却能提高刀具寿命。高强度钛合金Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo的加工过程中,需要用最小量的油润滑(MQL)来实现额外的润滑,从而提高刀具的使用寿命。组合冷却可使切屑底部光滑,并在不同切屑段之间形成细长的剪切带。试验证明,相比基于乳液冷却原理当加工钛合金Ti-6Al-4V,低温冷却的CO2能够增加刀具寿命。


八、对Ti-6Al-4V钛合金深冷加工切削力预测模型进行理论研究。采用考虑相变的修正(切削温度)Johnson-Cook模型和摩擦系数作为包含低温冷却效果的输入参数。在正交切削试验的基础上,研究低温冷却对切削力、微观结构、表面完整性和毛刺高度的影响。通过对材料进行马氏体相变,提高了低温加工时的切削力。冷却条件对表面粗糙度没有影响,与干湿条件相比,低温条件下的毛刺高度分别降低了56.2%和28.2%。


3. 低温切削技术存在的问题


低温微量润滑切削技术的研究较为成熟,在实际加工过程中应用较为广泛,加工效果较干切削要好。低温微量润滑技术的局限性在于,温度不能太低,过低的温度会使润滑油失去原有的润滑效果,且在喷射过程中,润滑油不能完全到达切削加工区域。


超低温冷却切削技术目前处于试验阶段,没有大规模应用于实践加工过程。与传统的切削加工过程相比,超低温冷却加工技术减少了切削液的使用,并且常用的冷却介质液氮来源广泛,无污染,使得加工环境干净卫生的同时,减少了切削液对工人和环境的影响。虽然超低温冷却加工技术的优越性显著,但是仍处于研究阶段,还有很多方面需要我们进行深入研究。



首先,在超低温环境下,材料的性能有所改变。比如TC4钛合金,随着温度的降低,延伸率下降,比热容和热导率减小,可能导致局部温度升高,导致刀具磨损加剧。低温环境,材料表面的强度有所增强,也可能导致工件表面加工质量降低。所以,在超低温冷却加工过程中,冷却介质的喷射量、温度等参数都需要针对不同材料要有进一步研究确定。


其次,超低温冷却切削技术的研究,目前多采用试验切削和模拟仿真研究,缺少成套的研究设备和成型的研究模型。超低温对设备要求较严格,现有的设备很难达到预期效果,难以深入研究,揭示其机理。低温环境下材料都会发生变形,对工件加工精度有一定的影响。刀具的选择以及加工过程所需要的补偿值需要深入研究确定。最后,超低温环境缺少润滑剂润滑,刀具依旧存在磨损。常用液体润滑剂的倾点都在-70℃以上,超低温加工技术温度都低于-70℃,则润滑剂不能流动,失去润滑效果。为了更进一步提高刀具使用寿命,超低温环境润滑技术也是我们研究超低温冷却加工技术的方向之一。


4. 结语


低温加工技术,显著改善了难加工材料的切削性能,提高了刀具使用寿命和工件加工表面质量,同时减少了切削液的使用,使加工环境干净整洁,降低了生产成本。常用冷却介质液氮,来源于大气,无毒无污染,工人和环境安全得到保障。低温加工技术前景广,需要更深入的研究,低温加工技术的优势和效益将越来明显。


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