1、引言
钛合金具有比强度高、耐蚀性好等特点，被广泛应用于航空航天等领域。TC4钛合金的难加工性主要表现在：TC4钛合金的导热系数较低，切削热积聚于刀尖及前刀面局部范围内，使切削局部环境恶化，影响表面加工质量；TC4钛合金在高温状态下的化学性质活泼，易反应生成硬化层，加剧刀具磨损；TC4钛合金的强度、硬度高、弹性模量小以及摩擦系数较大等特点使得单位切削力大，增加功率消耗。
在实际生产中，由于钛合金的难加工性以及需要从锻坯料中去除大量材料，还存在加工效率低的问题。随着现代装备技术的发展，高速切削技术已具备广泛推广的条件，并在钛合金产品切削加工中得以应用[1]。然而在高速切削状态下，采用传统的浇注式切削润滑时，切削液一旦触碰到高速旋转的工件或刀具即被甩出，极难到达切削环境最为恶劣、最需要冷却润滑的刀尖部位。并且浇注式供给切削液带来的环境问题日益严峻，甚至飞溅的切削液将对人身健康产生危害[2]。
因此，在可持续发展的大环境下，制造业探索并发展了新型的冷却润滑方式，如干式切削（ＤｒｙＭａｃｈｉｎｉｎｇ，DM）加工技术[3]、微量润滑（ＭｉｎｉｍｕｍＱｕａｎｔｉｔｙＬｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ，MQL）切削技术[4]和低温冷风切削加工技术[5]以及基于以上技术的低温微量润滑（ＣｏｌDMｉｎｉｍｕｍＱｕａｎｔｉｔｙＬｕｂｒｉｃａ-ｔｉｏｎ，CMQL）复合增效技术[6]。
目前，大量学者对新型冷却润滑方式在润滑机理[7]、钛合金等难加工材料的应用方面[8]进行了研究。ＮａｎｄｙＡ.Ｋ.等[9]使用CMQL技术车削加工TC4钛合金发现，CMQL技术能够有效降低车削力，并且在断屑方面有一定优势。苏永生等[10]在干切削和低温微量润滑条件下研究织构化硬质合金刀具加工性影响，特别是面向TC4钛合金粗精加工过程仍缺乏系统性的研究。本文通过实验探究不同润滑条件对高速车削TC4钛合金的切削力和表面粗糙度的影响，分析润滑条件在不同加工阶段的影响，得出CMQL条件下高速精车TC4钛合金的切削参数对切削力和表面粗糙度的影响规律。
2、实验条件及方案
2.1实验材料参数及设备
研究对象采用的高强度TC4钛合金，其主要构成成分及力学性能如表1和表2所示。实验采用鑫盛机床公司生产的ＡＤＧ15Ｍ数控车床，可实现8000r/min高速切削；使用Ｋｉｓｔｌｅｒ9257Ｂ三分量测力仪测量切削力，采用吉泰科仪ＪＤ520粗糙度仪测量加工表面粗糙度；选用纳米涂层细颗粒合金刀具（主偏角κｒ＝45°，前角γ0＝5°，后角α0＝15°），刀尖圆弧半径采用ｒ＝0.8ｍｍ。实验所用的低温和MQL环境采用ＳＵＮＡＩＲ公司生产的超低温微量润滑系统提供。
2.2实验方案
设计三组切削实验，分别研究不同润滑条件对切削过程的影响、不同润滑条件在不同加工阶段的影响和CMQL下切削参数对切削加工性的影响。
为了分析不同润滑条件对TC4钛合金高速切削加工性的影响，采用单因素分析法，在选定的切削参数下，分别对CMQL、冷风、浇注式三种冷却润滑条件下的切削力和表面粗糙度进行测量和分析。选定的切削参数如表3所示。
为了分析不同润滑条件对TC4钛合金粗加工、半精加工、精加工的影响，采用单因素分析法，针对干切削、浇注式润滑、MQL和CMQL四种不同润滑环境进行切削力和表面粗糙度测量和分析。各加工阶段的切削参数根据实际工程经验选取，选定的切削参数如表4所示。
设计三因素三水平正交试验，以研究CMQL条件下高速切削TC4钛合金各切削参数对主切削力和表面粗糙度的影响。所选择的切削参数范围属于半精加工和精加工阶段，正交试验因素水平设置如表5所示。
3、不同润滑条件下的TC4钛合金高速切削实验结果与讨论
3.1主切削力及表面粗糙度实验测量结果
分别在CMQL、冷风、浇注式润滑环境下记录9组实验测得的切削力和表面粗糙度数据，如表6所示。为了确保切削力和表面粗糙度数据的精度，在同一工件上使用同组切削用量走刀3次，取3次的切削力平均值作为该组的切削力，在粗糙度测量中圆周均布采样3次并取平均值，减少人为因素造成的误差。
3.2不同冷却润滑条件对主切削力的影响
图1为CMQL、冷风、浇注式润滑环境下、以切削速度240m/min高速车削TC4钛合金的主切削力对比柱状图。可以看出，在相同的冷却润滑环境下，随着切削深度和进给量的增加，主切削力随之增加，很明显，切削深度和进给量的增加使切削层公称横截面积增大。
化分析如下：参数组1相对于参数组2的切削层公称横截面积增大了1倍，对应的主切削力分别在CMQL、冷风、浇注式润滑条件下的增大系数为2.02，2.01，1.99；参数组3相对于参数组1的切削层公称横截面积增大了1倍，对应的主切削力分别在CMQL、冷风、浇注式润滑条件下的增大系数为1.76，1.76，1.80。说明主切削力增加的主要影响因素为切削层公称横截面积，不受冷却润滑条件的影响。
在相同的切削参数下，CMQL和低温冷风条件能有效降低主切削力，并且CMQL降低切削阻力的效果更优。其中，CMQL的主切削力比低温冷风的主切削力平均减小约16.4％，并且参数组3中CMQL的主切削力比低温冷风减小134.8Ｎ；CMQL的主切削力比浇注式润滑的主切削力平均减小约23％，并且参数组3中CMQL的主切削力比浇注式润滑减小了213.6Ｎ。
从以上分析可以看出，在降低切削阻力系数方面，高速切削时CMQL优于其他两种冷却润滑加工方法。喷嘴高速喷出的低温汽雾有很强的吸热能力，并且高压汽雾能够抵抗高速旋转并有效到达主切削区域，实现较好的冷却润滑效果。
相对于低温冷风，润滑油的混合雾化可以在刀—工、刀—屑间完全形成润滑油膜，使切削摩擦阻力降低，从而降低切削力。
3.3 不同冷却润滑条件对表面粗糙度的影响
图2为CMQL、冷风、浇注式润滑环境下、以切削速度240m/min高速车削TC4钛合金的表面粗糙度对比柱状图。可以看出，在相同的冷却和润滑环境下，参数组2相对于参数组1的表面粗糙度基本没有变化，参数组3相对于参数组1的表面粗糙度有明显增加。根据表面粗糙度理论公式可知，表面粗糙度与进给量和刀尖圆弧半径有关，在相同的切削参数下，CMQL和低温冷风条件的表面粗糙度值略有降低，说明良好的冷却润滑条件能够对加工表质量带来提升，并且CMQL要优于低温冷风条件。但是在参数组3中进给量较大的情况下，冷却润滑条件的影响程度下降。
表面粗糙度除与理论切削参数有关外，还与切削过程中积屑瘤的产生和消失也有极大关系。积屑瘤产生的先决条件是切屑底层金属与刀具前刀面发生黏结，从以上分析可以看出，低温冷风和CMQL可以快速冷却刀具和工件，加工表面和切屑的塑性降低，抑制了积屑瘤形成和发展。
CMQL可以提供良好的润滑膜，弱化刀具和工件之间的黏结摩擦，减少刀具的磨损，并还可以降低切削过程中的振动和噪声，有助于提高表面质量。
4、不同润滑条件下的各加工阶段切削实验结果与讨论
4.1主切削力及表面粗糙度实验测量结果
根据TC4钛合金实际样件切削加工工艺选取不同加工阶段的实验参数，如表7所示，分别在干切削、浇注式、MQL和CMQL润滑环境下记录实验测得的切削力和表面粗糙度数据。
4.2在不同加工阶段时冷却润滑条件对切削力的影响
在干切削、浇注式、MQL和CMQL润滑环境下，TC4钛合金在精车、半精车、粗车加工时的主切削力点线如图3所示。
可以看出，在不同的加工阶段，切削参数不变情况下，切削力在不同冷却润滑环境的变化幅度不大。
这说明切削参数依然是影响切削力大小的主要因素，而润滑条件只能在一定范围内影响切削力。对于精加工而言，其主切削力随着干切削、浇注式、MQL和CMQL润滑环境的变化依次减小，总减小量为18.7Ｎ，减小幅度为17.2％。
CMQL相较于MQL的减小量为2.5Ｎ，减小幅度为2.7％。说明相较于传统浇注和无润滑干切，MQL条件下切削液能够渗入加工区域，从而改善刀具与工件的摩擦状态，而传统浇注量大，流速低，很难深入高速切削的加工区域，仅能提供冷却降温效果。对于半精加工而言，其主切削力随着干切削、浇注式、MQL润滑环境的变化依次减小，共减小121.6Ｎ，减小幅度为26.1％。
但是，CMQL相对于MQL略有提高，增加量为20.7Ｎ，说明MQL对半精加工降低切削阻力的效果更为有效。
低速、大切深已体现不出CMQL的优势，这是由于低速环境下浇注式冷却润滑已经达到一定的效果，而CMQL会进一步降低刀—工切触区的温度，钛合金材料塑性下降，切削阻抗增大，切削力变大。对于粗加工而言，低速大切深环境加剧，CMQL相对于MQL的切削阻抗增大效果更为明显，反而干切削的切削力更小，这是因为无润滑干切的温升会对钛合金有热软化效果，降低切削阻抗。
4.3在不同加工阶段时冷却润滑条件对表面粗糙度的影响
在干切削、浇注式、MQL、CMQL润滑环境下，TC4钛合金在精车、半精车、粗车加工时的表面粗糙度点线如图4所示。
从图中可以直观地看到精加、半精加工、粗加工三种不同的加工阶段粗糙度数值变化趋势一致，由大到小均为干切削、MQL、传统浇注、CMQL。其中，传统浇注润滑方式相比MQL润滑方式，表面粗糙度数值更小，表面质量更高，这可能是由多种原因造成，例如切屑会影响微量油液到达工件表面、体积微小的油液颗粒容易受热挥发、浇注式切削降低了切削加工区域的温度等。
但MQL更加节省切削液，这大大降低了加工成本，在工件表面质量要求不高时优势更加显著。另外，根据不同加工阶段时表面粗糙度的数值对比，再次证明切削参数的改变对粗糙度数值的影响程度大于润滑条件，润滑条件只能在一定范围内影响表面粗糙度。
5、CMQL条件下TC4钛合金切削正交试验结果与讨论
5.1切削力及表面粗糙度正交试验测量结果
按Ｌ9（34）正交试验方案进行TC4钛合金的高速切削实验，获得的主切削力及表面粗糙度实验数据如表8所示，数据表明，在CMQL冷却润滑条件下主切削力均在800Ｎ以内；当进给量ｆ＝0.2mm/r时，表面粗糙度Ra＜0.7μm；当进给量ｆ＞0.3mm/r时，表面粗糙度Ra＞1μm。为综合分析切削参数对主切削力和表面粗糙度的影响程度与规律，分别对其进行极差分析。
5.2主切削力极差分析
根据正交试验数据的直观极差分析可以确定各因素对主切削力的影响规律，并确定各因素的最优水平组合。通过试验测量数据计算，整理得到正交试验极差分析表（见表9）。由极差分析结果可知，在所选切削参数范围内，切削速度是影响主切削力的主要因素，其次分别为进给量和背吃刀量，且均大于空列，说明在高速精车TC4钛合金的影响参数中，切削三要素占据主导地位。
随着高速切削时切削速度的增加，工件表面和刀具温度急剧升高，如果此时冷却润滑不及时就会导致工件和刀具烧伤，表面硬化严重，从而导致切削力变大以及表面加工质量急剧下滑。CMQL给高速精车TC4钛合金提供了良好的冷却润滑条件，保证切削过程的稳定进行。为了分析切削参数对主切削力的影响规律，从极差分析中可知，主切削力随切削速度的增大而减小，随着进给量和切削深度的增大而增大。单纯考虑主切削力最小（低碳降耗目标），理想的组合方案是大切削速度、尽可能小的背吃刀量和较小的进给量。
5.3表面粗糙度极差分析
根据表面粗糙度Ra的实验测量数据进行极差分析，如表10所示。三个因素对表面粗糙度Ra的影响显著程度由大到小为进给量＞切削深度＞切削速度，其中进给量为主要影响因素，这与理论表面粗糙度相匹配。
这是因为在高速精车阶段，CMQL冷却润滑条件保证切削过程的稳定进行，在高速切削中难以形成对表面质量不利的积屑瘤，保证了表面粗糙度不受其他不稳定因素影响。为了分析切削参数对主切削力的影响规律，从极差分析表中可知，在CMQL切削条件下，切削速度和切削深度的改变对TC4钛合金加工表面的质量影响微乎其微，随着进给量的增加，表面加工质量变差。选用较小的进给量可降低工件表面粗糙度。
综合分析切削参数对主切削力和表面粗糙度的影响，考虑实际CMQL条件下高速精车TC4钛合金加工过程，背吃刀量由粗车或半精车留的余量决定，因此背吃刀量的选择原则为：在确保工艺过程稳定可控的前提下，尽可能采用较小的精车余量来实现降低切削力的目的；在切削稳定的前提下尽可能选择较大的切削速度；进给量的选择则并非越小越好，因为过小的进给量势必导致切削效率直线下降，并且进给量过小难以形成规则顺畅的切屑，导致刀具磨损变大，因此，在保证满足工件表面粗糙度要求的前提下应选择较大的进给量参数。
6、结语
通过三组TC4钛合金切削实验分析得到以下结论。
（1）CMQL和MQL冷却润滑条件可在TC4钛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复合增效技术表现更优；
（2）CMQL冷却润滑条件在高速精车削阶段才体现出降低切削阻力的优势，对低速大切深的粗加工阶段反而不利；
（3）考虑CMQL条件下高速精车TC4钛合金的加工效率，最佳参数组合为较高切削速度、较小的精加工余量和合适范围内较大的进给量。
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第一作者：国秀丽，讲师，安阳工学院机械工程学院，455000河南省安阳市
ＦｉｒｓｔＡｕｔｈｏｒ：ＧｕｏＸｉｕｌｉ，Ｌｅｃｔｕｒｅｒ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉ-ｎｅｅｒｉｎｇ，ＡｎｙａｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ａｎｙａｎｇ，Ｈｅｎａｎ455000，Ｃｈｉｎａ
通信作者：张程焱，博士，讲师，许昌学院电气与机械工程学院，461000河南省许昌市
ＣｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇＡｕｔｈｏｒ：ＺｈａｎｇＣｈｅｎｇｙａｎ，Ｐｈ.Ｄ.，Ｌｅｃｔｕｒｅｒ，ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎDMｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＸｕｃｈａｎｇＵｎｉ-ｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｕｃｈａｎｇ，Ｈｅｎａｎ461000，Ｃｈｉｎａ
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