亚干式冷却方式对钛合金车削切削力的影响

任家隆，胡小康

(江苏科技大学 机械工程学院，江苏 镇江　212003)



亚干式冷却方式对钛合金车削切削力的影响

任家隆，胡小康

(江苏科技大学 机械工程学院，江苏 镇江212003)

摘要：在CA6140车床上对钛合金进行切削试验，运用正交试验法选取10个4因素5水平试验组；对比亚干式切削与湿式切削在相同切削参数下切削力值的大小.试验表明：在选择合适的切削条件下，亚干式切削力值小于湿式切削力值，证明了亚干式切削可以超越湿式切削的效果.

关键词：钛合金；正交试验；亚干式切削；湿式切削；切削力

尽管新的加工方式正在逐步取代传统加工方式，但车削加工在加工领域中的霸主地位依旧没有被动摇，目前仍然是最主要的加工方式.在传统的车削加工中，多采用冷却液浇注的方式进行冷却，这种冷却方式不仅危害环境，而且对工人的健康造成严重的威胁.

亚干式切削[1-3]是基于绿色环保，以一定压力的冷风射流为动力，运载适量冷却及微量润滑介质，形成汽化对流强化换热和微润滑的多流体耦合冷却切削技术，在确保加工质量的基础上，为绿色加工提供了一种新的冷却方式.

现代化工、仪器仪表、航天、军事工业对钛合金材料的需求量大增.钛合金[4-8]由于具有塑性变形量小、强度极高、弹性模量低、导热性差等特点，使得对钛合金的车削非常困难；在车削加工中，运用低温微润滑冷却方式，不仅可以有效降低被加工件表面温度，而且可以使被加工材料的表面脆性增加，便于对钛合金进行切削.本研究对钛合金切削问题进行研究，以求为加工生产提供参考.

1试验装置及参数

1.1试验装置

本试验在CA6140车床上进行.低温制冷系统由空气调节器和冷凝器组成，可以达到最低-23 ℃的冷却效果.试验冷风温度设置在-19 ℃，冷却液流量由玻璃转子流量计控制.选用DJ-CL-1型切削力测量仪采集数据.

1.2试验相关参数

切削试验的试验组见表1.

表1　切削试验组

影响切削的4因素5水平的正交试验见表2.

表2　4因素5水平表

刀具和工件的数据见表3.

表3　刀具和工件的参数

2试验结果与分析

2.1切削力测量值

试验所测得的切削力值见表4.

表4　切削力值　N

续表4

取表4中10组试验所测得的切削力平均值，以试验组号为横轴，以切削力平均值为纵轴，绘制图1.从图看出，切削力值曲线为双峰曲线，在第4组和第5组之间出现第1次峰值，约为1000 N，第2次峰值出现在第7组和第8组之间，约为1500 N.切削力谷值出现在第6次试验，约为500 N.从图1还可以得知，在10组试验数据中，除第7组和第8组外，切削力值在500～1000之间波动.查表1和表2可知，可能与该切削条件下背吃刀量值较大有关(分别是2.0 mm和2.5 mm).由金属切削原理可知，背吃刀量增大会使切削面积增大，这是因为在增大背吃刀量时，切削厚度保持原样而切削宽度与背吃刀量的变化成正比关系.因为切削宽度的变化大体上不影响摩擦因数和变形因数，所以背吃刀量对主切削力的影响也成正比例增加.在试验过程中，第7和第8组试验刀尖出现了较大面积的红热部分，这提示切削温度很高，查看切削力值可知，这两组的切削力值也很大.实际加工过程中，在选择切削参数的时候要避开这两组试验的试验条件，避免出现崩刀或者过烧现象.

2.2相同切削速度下切削力变化

图1　切削力值图

取第2～5组试验，以试验组号为横轴，以切削力平均值为纵轴，绘制图2.从图中可以看出，随着背吃刀量和进给量都增大时，切削力值也在跟随着变化.这是因为背吃刀量和进给量的增大都能够改变切削变形力和摩擦力，而两者的影响却是存在差异的.由于进给量增大致使切削厚度增大，从而减小了变形因数和摩擦因数，所以切削力和进给量之间不存在正比例的增加关系.在第5组试验中，背吃刀量取5 mm，进给量减小为0.1 mm/r，但切削力仍然增大，说明在同等条件下，背吃刀量对切削力的影响大于进给量的影响.所以在实际加工中，从刀具载荷的角度来考虑，优先选用大的进给量.

2.3相同背吃刀量下切削力变化

图2　相同切削速度下切削力变化图

取第1、3、13组实验数据，以试验组号为横轴，以切削力平均值为纵轴，绘制图3.随着切削速度的增加，该曲线几乎呈直线增长.虽然进给量在第10组试验中变小，但切削力值仍是增大.这与用YT15硬质合金刀具加工45钢所得到的前部曲线走势是相符合的，即当切削速度≤50 m/min时，由于积屑瘤的出现使车刀的实际前角变大，导致了切削力的变化.

2.4相同进给量下切削力变化

图3　相同背吃刀量下切削力变化图

取第5、7、9、14组实验数据，以试验组号为横轴，以切削力平均值为纵轴，绘制图4.在试验中，切削速度从30 m/min增加到45 m/min，而背吃刀量从5 mm减少到2 mm.比较第5组和第7组的试验条件可知，第7组试验切削力较大的原因可能是：第1、5组为切削液冷却，第7组为亚干式A冷却，亚干式切削导致了如此大的切削力出现，但由图1中的第1、2组试验可知，亚干式切削和切削液切削的力值差不多，所以此原因成立的可能性很小；第5组的切削速度为30 m/min，背吃刀量为5 mm，第7组的切削速度为35 m/min，背吃刀量为4 mm，而切削力在第7组变得很大，有可能是积屑瘤[9]在第7组的试验条件范围内出现而导致的.

2.5相同切削方式下切削力变化

图4　相同进给量下切削力变化图

将10组试验数据按切削方式分类，以试验组号为横轴，以切削力平均值为纵轴，绘制图5.图中4条曲线分别表示湿式切削(冷却液切削)、亚干式切削A、亚干式切削B、亚干式切削C.前3条曲线的走势基本一样，切削力随着切削速度的增加而增加，而亚干式C的曲线波动范围和湿式切削差不多，在第6组试验中测得的切削力值是10组试验中最小的.这说明从切削力的角度来考虑，亚干式切削可以达到湿式切削的效果，甚至比湿式切削更好.切削力的来源主要有3个方面：克服弹性变形的抗力，克服塑性变形的抗力，克服前刀面和后刀面的摩擦力.所以，切削力的变化主要是由于摩擦力发生了变化.切削热的来源主要是发生弹性、塑性变形而耗功以及摩擦而产生的热量，本文由于试验设备问题没有测量切削热.切削力的变化说明了亚干式切削会影响到切削过程中的摩擦，所以亚干式切削也会影响到切削热，从而影响刀具寿命及表面加工质量等.

3结论

图5　相同切削方式下切削力变化图

利用亚干式切削技术中的低温微量润滑技术，设计了4因素5水平的正交试验，选择10组试验进行切削试验.分析实验数据可以得到如下结论：

1)对于多因素变量的试验，正交试验能有效减少试验次数，得到相对准确的结论，并有效节约了试验时间，精简了试验过程.

2)切削试验数据表明，亚干式切削可以达到湿式切削的效果，在选择合适的切削条件下，亚干式切削力值小于湿式切削的力值，从而证明了亚干式切削可以超越湿式切削；此外，亚干式切削更有利于环境保护，符合绿色制造的要求.

3)相同切削速度下的切削力对比表明，背吃刀量对主切削力的影响大于进给量，因此，从刀具寿命、工件表面质量及机床刚度等方面考虑，实际加工中优先考虑选用大的进给量.

参考文献：

[1] 赵欢欢,刘业凤,刘华凯.干冻磨削用低温冷风发生系统的设计[J].低温与超导,2010(6):58-60.

[2] 廖结安,刘新英,席卫锋.亚干式深孔钻削颤振试验研究[J].机械设计与制造,2010(12):118-120.

[3] 任家隆,刘志峰,唐文献.干切削理论与加工技术[M].北京：机械工业出版社,2012.

[4] 邹喜洋.难加工材料的特性及其应用前景[J].金属热处理,2003,28(4):44-47.

[5] Ren J L,Lu S,Ren J J,et al.A study of precision sub-dry cutting mechanism[J].Key Engineering Materials,2006,315:805-808.

[6] 臼井英治.切削研削加工学[M].高希正,刘德忠,译.北京:机械工业出版社,1982.

[7] 李富长,宋祖铭,杨典军.钛合金加工工艺技术研究[J].新技术新工艺,2010(5):66-69.

[8] 李登万,陈洪涛,黄隧,等.不同冷却条件下钛合金材料的车削性能研究[J].工具技术,2010,44(3):19-21.

[9] 李劲夫.积屑瘤对数控车削加工过程影响的分析与对策[J].新技术新工艺,2011(2):11-12.

(编辑武峰)

Effects of the Sub Dry Cooling Method on Cutting Force of Titanium Alloy

REN Jia-long，HU Xiao-kang

(Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China)

Abstract:Through the experiment of cutting titanium alloy on CA6140 lathe,10 test groups with four factors and five levels were selected by orthogonal experimental method to compare the cutting force values between sub dry cutting and wet cutting under the same cutting parameters.Experiments showed that:under the suitable cutting conditions,sub dry cutting force value is less than the wet cutting force value and thus proved that the sub dry cutting can transcend the wet cutting.

Key words:titanium alloy; orthogonal test; sub dry cutting; wet cutting; cutting force

中图分类号：TG51

文献标志码：A

文章编号：1674-358X(2015)01-0073-05

作者简介：任家隆(1951-)，男，江苏淮安人，教授、硕士生导师，主要从事绿色制造加工技术研究.

基金项目：国家自然科学基金项目(50845064)

收稿日期：2014-09-01