高润滑性钛合金切削液的制备及加工验证*

刘腾飞 王 宇 王聿禹，2 戴媛静

(1.清华大学天津高端装备研究院 天津 300300；2.季华实验室 广东佛山 528200)

钛合金具有比强度高、热强性好、耐腐蚀、耐热和无毒性等优点[1]，在航空、航天领域有广泛应用，并逐渐扩展到造船、冶金、化工、轻工、医疗等工业部门，具有很大发展潜力。然而钛合金加工性差，属于典型的难加工材料，具体表现为：切削温度高，刀具磨损快；切削刃单位面积切削力大；弹性变形量大，加工表面质量差；化学活性高，冷硬、黏刀现象严重[2-3]。其相对切削加工性仅为45钢的25%～38%[4]。

为提高钛合金的加工效率及加工质量，一般均在使用切削液的条件下进行切削加工。但普通切削液难以对钛合金形成有效润滑，导致刀具磨损严重、表面质量差、加工效率低。易湘斌等[5-6]对不同冷却润滑条件下钛合金高速铣削的切屑形态和切削力进行了研究，表明改善冷却润滑条件有利于改善钛合金的加工状况。所以，研究并制备对钛合金高效润滑的切削液尤为重要。盛德尊和张会臣[7]以水合羟乙基纤维素作为润滑剂，研究了点接触条件下Ti-6Al-4V的摩擦学特性，认为在摩擦过程中钛合金与润滑液作用产生TiO2，有利于润滑膜吸附在摩擦表面，获得超低摩擦因数。YANG等[8]发现以壬基酚聚氧乙烯醚磷酸酯水溶液作为润滑剂可降低钛合金的摩擦因数和磨损率，并指出磷酸酯以P-O-Ti共价键吸附在钛合金表面，形成了稳定的润滑膜。邓富康等[9]将PAO4、季戊四醇酯、己二酸酯按质量比1∶1.5∶1.5复合作为基础油，以硫化脂肪酸酯作为抗磨剂，制备了钛合金切削液，可满足钛合金切削加工要求，但并未对其润滑性进行详细分析。杨茂立[10]利用FAHP对钛合金切削液各组分及配方方案建立了优选模型。制备高效润滑性钛合金切削液的关键在于基础油的选择。相比于矿物油，植物油及改性植物油在金属表面具有更好的吸附性能，更易形成有效润滑。张强[11]发现以浓硫酸为催化剂，以乙酸、双氧水为氧化剂，将菜籽油环氧化，可显著改善其减摩、抗磨性能。李清华和陶德华[12]将菜籽油环氧化后和醇类反应，合成改性菜籽油，发现其具有良好的抗磨性能。

本文作者以不同基础油制备钛合金切削液，分析了基础油对切削液在钛合金表面润滑性能的影响；并对所制备切削液进行了钛合金切削试验，初步探讨了其在实际加工过程中的润滑性能。

1 实验部分

1.1 实验仪器及原料

实验仪器主要有：电子分析天平、恒温水浴锅、SRV-5多功能摩擦磨损实验机、MicrotapTTT攻丝扭矩仪、HASS Mini数控加工中心、Kistler 9129AA切削力传感器、三维白光干涉仪、体式显微镜、运动黏度仪、恒温干燥箱、冰箱、pH计、四球机。

实验原料主要有：菜籽油、氧化菜籽油(环氧值2.36、5.03)、矿物油KN4006、矿物油150SN、乳化剂、有机碱、防锈剂、生物稳定剂、去离子水。

1.2 切削液成分组成

钛合金切削液成分组成如表1所示。

表1 钛合金切削液成分组成

1.3 切削液制备

切削液制备工艺：将油溶性添加剂加入基础油中，搅拌溶解至得到澄清透明油状物A；将水溶性添加剂加入去离子水中，搅拌至完全溶解得到澄清透明液体B；在加热(50～70 ℃)搅拌的条件下将B加入A中，搅拌至体系均匀澄清，即得到切削液原液。

文中共制备5组切削液，不同切削液选用基础油种类不同，但添加量相同，均为45%(质量分数)。各切削液所用基础油种类如表2所示。

表2 各切削液所用基础油种类

将所制备各切削液以去离子水稀释至5%(质量分数)，外观均为乳化液，其相关性能指标如表3所示。

表3 各切削液稀释液相关性能指标

各切削液稀释液pH值、粒度分布均相近，乳液稳定性均为100%。

2 结果与讨论

2.1 切削液润滑性表征

2.1.1 摩擦因数

以SRV-5多功能摩擦磨损实验机考察钛合金切削液的润滑性，得到不同切削液的摩擦因数曲线。摩擦因数越小，切削液的润滑性越好。测试条件如表4所示。

表4 切削液润滑性测试条件

测试结果如图1、表5所示。可知，在其他条件相同的情况下，以菜籽油为基础油制备的切削液1对TC4钛合金的摩擦因数要远远小于以KN4006和150SN为基础油的切削液2和切削液3，这是因为菜籽油中含有的羟基、酯基具有较强的极性，可牢固吸附在钛合金表面[13]，形成连续的高强度润滑膜[14]，有效降低摩擦过程中的摩擦因数。

进一步地，以氧化菜籽油为基础油制备的切削液4和5，所取得的摩擦因数较切削液1低；且以环氧值为5.03的氧化菜籽油为基础油制备的切削液5的摩擦因数要低于以环氧值为2.16的氧化菜籽油为基础油制备的切削液4。这说明，对菜籽油进行环氧化可显著提升其对钛合金的润滑性能，且环氧值越高，润滑性越好。这是因为环氧化后所产生的环氧基团能够与其中的羟基、酯基相互协调作用，形成的润滑膜强度更高[11]，在钛合金表面的吸附也更牢固。

2.1.2 攻丝扭矩

切削液的扭矩值越小，则摩擦力越小，其润滑性也越好。以MicrotapTTT攻丝扭矩仪测试钛合金切削液的润滑性，测试条件如表6所示，得到的攻丝扭矩测试结果如图2所示。

表6 攻丝扭矩测试条件

由图2可知，以菜籽油为基础油所制的切削液1对钛合金的攻丝扭矩平均值要小于以KN4006为基础油所制的切削液2和以150SN为基础油所制的切削液3，说明菜籽油对钛合金润滑性较佳。此外，以环氧值为5.03的氧化菜籽油为基础油配制的切削液5所取得的平均扭矩值要低于以环氧值为2.16的氧化菜籽油为基础油配制的切削液4，且二者均低于切削液1的平均扭矩值，进一步说明环氧化有助于提升菜籽油基础油对钛合金的润滑性，且环氧值高，润滑性好。

综上所述，以菜籽油为基础油制备切削液可改善其对钛合金的润滑性，且氧化菜籽油润滑性更好；同时，菜籽油环氧化后具有更好的氧化安定性[15]，有助于延长切削液的使用寿命。

2.2 切削液理化性能

对以环氧值为5.03的氧化菜籽油作为基础油配制的切削液5理化性能进行检测，并与某进口高端商用钛合金切削液进行对比，测试结果如表7所示。

表7 切削液5的理化性能及与商用切削液比较

2.3 钛合金切削试验

在图3所示的数控加工中心上研究不同切削速度下，切削液5在钛合金切削加工过程中的润滑性能，主要分析了其对刀具磨损、切削力及加工面表面质量的影响，并以某进口高端钛合金切削液作为对比。测试条件如表8所示，切削参数如表9所示。

表8 钛合金切削试验测试条件

表9 钛合金切削试验参数

2.3.1 切削力

以如图4所示的Kistler 9129AA切削力传感器实时采集试验过程中切削力数据，表征切削力变化。

不同切削速度下，平均切削力试验结果如图5所示。可知：

(1)在所选试验参数内，切削力随切削速度的增加而增大，究其原因，是因为切削速度的增加导致单位时间内切削量增加，引起切削温度上升，致使钛合金黏附和加工硬化现象严重[16]；

(2)加工参数相同的情况下，切削过程中使用切削液5时，切削力均小于使用商用对比液，说明切削液5在钛合金切削中的润滑性能优于商用对比液，降低了刀具与工件间的摩擦，改善了钛合金的加工状况。

2.3.2 刀具磨损

刀具磨损往往由刀尖开始，形成不规则的三角形磨损区域，如图6所示。

试验以体式显微镜观测刀具磨损区域，并将其拟合为规则三角形，计算磨损区域面积，面积越大，表明刀具磨损越大。

不同切削速度下，刀具磨损面积试验结果如图7所示。可以看到：

(1)随切削速度的增加，刀具磨损面积呈增大趋势，原因为，随切削速度增大，切削力增大，切削温度升高，并且工件振动加剧，导致刀具磨损严重[17]；

(2)切削速度相同的条件下，相比于商用对比液，使用切削液5可降低刀具磨损面积，当线速度小于125 m/min时，刀具无明显磨损，这是由于切削液5具有更好的润滑性能，减少了刀具的磨损，有助于延长刀具使用寿命。

2.3.3 表面质量

以三维白光干涉仪测定钛合金加工面粗糙度，用以表征表面质量。不同切削速度下，加工面粗糙度试验结果如图8所示。可知：

(1)由于刀具磨损会使加工面粗糙度增大；而同时当切削速度达到一定值后，提高切削速度可使加工面获得更好的表面质量[18]，所以在该试验所选参数内，钛合金加工面粗糙度与切削速度无明显单向关联性；

(2)使用切削液5所获得的钛合金加工面粗糙度低于使用商用对比液，进一步证明了切削液5对钛合金优异的润滑性，可改善表面质量，提升加工精度。

综上所述，文中所制备的钛合金切削液对钛合金具有良好的润滑性，在实际切削过程中可减少刀具与工件表面的摩擦，有效降低刀具磨损，延长刀具使用寿命，并提升工件表面质量。

3 结论

(1)相较于矿物油，以菜籽油为基础油制备钛合金切削液，对TC4钛合金具有更小的摩擦因数和攻丝扭矩值。

(2)对菜籽油进行环氧化处理，产生的环氧基团可促进其在钛合金表面的吸附，将其作为基础油制备切削液，摩擦因数和攻丝扭矩较低，表明其对钛合金具有更好的润滑性，且环氧值为5.03时润滑性优于环氧值为2.16时。

(3)通过钛合金切削试验表明，相比于商用对比液，以环氧值为5.03的氧化菜籽油为基础油配制的切削液5，在钛合金切削加工过程中，能够有效减少刀具与工件表面的摩擦，降低切削力，减小刀具磨损，延长刀具使用寿命，并提升工件表面质量。