摘要：冷却剂在钛及其合金等高反应性材料高速加工中的有效性尚不确定。因此，在进行高速加工之前，更好先研究微量润滑(MQL)的有效性。本文讨论了MQL技术对利用物理气相处理(PVD)涂层硬质合金工具加工Ti-6Al-4V的可加工性的影响。所研究的可加工性参数为所产生的切削力和刀具寿命。研究了在干燥和近干燥(或MQL)加工条件下的性能。对于近干式加工，研究了50和100mL/H的两种冷却液流量。在120、135和150m/min三个不同水平的切割速度下测试了雾冷却剂的有效性。在切割速度为135m/min时，雾冷却剂的应用更有效。在这种速度下，当使用更多的冷却剂时，工具寿命更长。切削速度和冷却剂流速对表面粗糙度的影响不显著。表面粗糙度对进料速率和切割深度更为敏感。在机械加工早期，MQL对切削力没有显著影响。当工具开始磨损时，MQL似乎更有效，因为工具与工件之间的接触面积更大，从而提供更好的润滑效果。
介绍
钛及其合金因其材料具有诱人的特性，即高温下的高强重比、优异的耐腐蚀性和较长的使用寿命，而被广泛应用于航空航天工业。然而，由于这些材料因其高温强度高、导热系数和化学反应性低、弹性模量[1]相对较低而被归类为难韧性材料。此外，这些材料可以在6100C的温度下着火，唯一的材料可以在纯氮[2]中燃烧。
在机械加工过程中，大部分用于去除材料的机械能变成了热量。这种热量在切割区域产生高温。切割速度越高，发热速度越快，温度也越高。机械加工的新挑战是利用高切割速度来提高生产率。这是刀具快速磨损的主要原因。对于钛及其合金，由于导热率较低，这个问题更加严重。在切割区域中产生的热量的80%流向切割刀具[3]。
减少刀具磨损的传统方法是使用切削液。这种切削液可以作为润滑剂以及在机加工过程中使用的冷却剂。使用切削液可以提高切削速度高达30%，而不影响刀具的使用寿命。然而，切削液的使用对经济、环境和健康都有负面影响。切削液的总成本约为总生产成本的17%，而刀具的成本仅为4%[4]。结果表明，当大多数切削工具可以以较低的成本生产时，使用切削液不再是经济可靠的。
处理不当的切削液可能会对环境造成损害。根据严格的环境保护规则，这种切割液需要适当处理。另一方面，机器操作人员暴露在切削液的负面影响中，会有如皮肤和肺部的问题[5]。
然而，由于刀具寿命不佳和表面光洁度差，完全消除切削液似乎不现实。这种快速的刀具磨损不仅具有更高的表面粗糙度值，而且具有更高的显微硬度和主要的微观结构变化[7]。
切割工具涂层材料的先进发展为机械加工过程做出了重大的改进。涂层材料在刀具和工作材料[8]之间创建了额外的润滑层。这使得涂层切割工具适用的干式和近干式加工和高速切割[9]。但对于钛及其合金的加工，由于工作材料的化学反应性，涂层材料是远远不确定的。
对于钛及其合金等航空航天应用，表面光洁度的质量是非常重要的，因为它对性能、安全性、寿命、生命周期成本和可靠性的需求非常高。研究机加工部件的表面完整性现在为生产高质量的产品变得重要和必要。
钛合金加工中的另一个主要问题是应用高速加工。高速加工的优点是更高的生产率、更好的表面加工、无毛刺边缘和加工[11]后几乎无应力的部件。高速加工的另一个显著优点是施加了较低的切削力，可以减少发热，提高刀具的使用寿命。然而，钛合金高速加工对切削流体的需求有待研究。传统切削流体在高速加工中的应用是无效的，因为即使施加额外的极端压力，流体也不能穿透切屑-刀具界面。完全消除切削流体似乎并不现实，因为刀具寿命不理想，表面光洁度较差，特别是在处理耐热材料[12]时。
研究表明，使用极低量的切削液是可行的，似乎有更长的刀具寿命和更好的表面光洁度磨削操作[9,10,12]。这种方法被称为微量润滑(MQL)，并被认为是近干式加工。切削液以雾的形式喷射到切削区域。这层薄雾会蒸发掉，不留下任何残留物。唯一的问题是需要适当的雾化器来避免机器操作员呼吸这种雾。
2.方法学
2.1.工件材料
在航空航天工业中使用的钛合金中，Ti-6Al-4V组的钛合金是应用最广泛的。本实验选择了这种材料。该材料的组成(wt%)和力学性能分别见表1和表2。
表1。Ti-6Al-4V的组成（wt%）
表2。Ti-6Al-4V在室温条件下的力学性能
2.2.切割工具材料
本实验采用PVD涂层碳化物。此插入件安装在直径16mm的端磨机上。每次实验只使用一颗牙齿。插入件的几何形状为圆形，直径为10毫米。插入物和涂层材料的显著数据分别见表3、表4和表5。图（1）显示了本实验中使用的工具和插入物。
表3。切削刀具组成
表4。刀具的物理力学性能
表5。切割刀具的几何形状
图（1）。在本实验中使用的工具和插入物。
2.3.切削液
本实验采用了水不混溶的切削液。然而，这种冷却剂可与溶剂或矿物油混溶。通过调节供应的空气压力和喷嘴的打开来达到所需的冷却剂流量。该切削液的标称数据见表6。
表6。切削液的力学性能
2.4.加工试验
所有的机加工试验均在三轴数控铣床上进行。Ti-6Al-4V试件的尺寸为100x100x160mm。实验前对每个表面进行2mm厚的试件进行预加工，以消除外层的残余应力和老化。
为了测量加工过程中的切削力，将该工件安装并固定在三轴测功机上。图（2）显示了切削力测量的设置。
图（2）。切割力的测量
实验设计采用多层因子设计，本实验采用。美国能源部的摘要如表7所示。切割的径向深度保持不变，即10mm。图（3）显示了雾冷却剂喷嘴的方向。本实验中采用的切削类型为爬升铣削。
表7。DOE的因素和水平
图（3）。喷嘴的有效方向为[13]。
在不同的时间间隔停止加工，逐步测量刀具磨损。当获得以下标准时，停止工具磨损测量：
侧翼磨损达到0.3mm
灾难性工具故障
机加工时间达到20分钟
3.结果和讨论
3.1.工具寿命
不同切割条件下的刀具寿命数据见图（4）所示。直方图4(a)为本实验中切割速度组的刀具寿命。这个直方图显示了切削速度和刀具寿命之间的强关系。更高的切割速度会导致刀具寿命更短。但在较高的进料速率和切割深度时，切割速度的影响不那么显著。这是由于断裂失效，当采用高进料率和高切割深度时，它比逐渐磨损更重要。相反，当用MQL组绘制刀具寿命直方图，如图4(b)所示时，刀具寿命与使用的MQL量之间没有线性相关。
当使用高量冷却剂时，刀具寿命更长，仅切割135m/min。在120m/min的速度下，干式加工可以提供更好的刀具寿命。由于化学磨损[14]，MQL为50mL/H下的刀具寿命较短。化学磨损的证据是在磨损达到0.2mm后磨损快速增长。当涂层材料被消除时，磨损急剧增加。进度磨损增长图如图（5）所示。在MQL为100mL/H下，化学磨损的影响较少，因为有足够数量的冷却剂可以产生冷却效果。相反，对于150m/min的切割速度，MQL100mL/H的效率低于MQL50mL/H。这是由于更大的雾颗粒不能穿透到切割区。旋转工具产生的离心力阻碍了这种粒子的穿透。
3.2.表面粗糙度
在不同的切割条件下，表面粗糙度随行程长度的变化数据如图（6）所示。从得到的表面粗糙度结果来看，表面粗糙度与切削速度和冷却剂流量之间没有相关关系。这是因为表面粗糙度更多地取决于机床的刚度和刀具[15]的几何形状。此外，进料速率等切削参数对表面粗糙度也有显著影响。实验表明，进料速率越高，表面粗糙度就越高。
在这个实验中获得的表面粗糙度值较低是由于所使用的刀具的几何形状。圆形的插入物可以被认为是较大的鼻半径。鼻部半径越高，表面粗糙度值越低。在加工过程中发生的振动或颤振会对表面光洁度产生显著影响。为了避免振动，切割参数的选择是非常重要的。
3.3.切割力
图（7）显示了在各种切削条件下加工开始时获得的切削力平均值的直方图。在这个阶段，刀具仍然锋利。从这个直方图中，我们可以得出结论，切削力和切削深度之间有很强的相关性。切削力和进给速度之间存在中度相关性。进给速度和切削深度越高，切削力越大。需要更多的能量才能在较短的时间内去除较高的体积。
图（4）。(a)刀具寿命与切削速度、冷却剂和进料速率的直方图(b)刀具寿命与MQL、切削速度、进料速率和切削深度的直方图。
图（5）。不同切割速度(a)120m/分钟(b)135m/分钟(c)150m/分钟。
图（6）。不同切削速度下的表面粗糙度随行程长度的变化。
图（7）。切削力与MQL、切削速度、进料速率、切割(a)切削力在X轴（进料方向）(b)Yaxis（垂直于进料）(c)Z轴（轴向）上的深度的直方图。
图（8）。0.1mm/齿和切割深度2mm(a)切割速度120mm/min(b)切割速度135m/min(c)切割速度150m/min。
当MQL变化时，由于直方图上不规则，切割力与MQL之间可能存在线性相关。切割速度对切割力的影响似乎不那么显著。这是由于在本实验中使用的切削速度的变化很小。为了研究切削速度对切削力的影响，应采用较大的切削速度变化方法。
图（9）。实验中记录的典型切切形式，切切力x轴为(a)，y轴为(b)，z轴为(c)。
图（8）中的图表显示了在加工过程中逐步获得的切削力的变化。在加工结束时获得了更高的切割力。在此阶段，侧翼磨损达到了0.3毫米。当刀具尖端变钝时，刀具尖端与工件之间形成更多的接触区域。这导致了更大的摩擦，从而增加了切割力。在这个阶段，MQL的影响似乎更为显著。在干燥条件下，切削力越大，而在施加MQL时，得到的切削力越低。
图（9）为实验过程中记录的切割力的典型形式。这种循环形式的数据是由于在铣削操作过程中中断的切削过程。周期或频率取决于刀具的转速。由于在这个实验中只使用了一个插入物，所以在每个周期中观察到单啄。切割刀具旋转一次切割过程。
4.结论
从这个实验中，我们可以得出以下结论：
在任何切削条件下，切削速度都是控制刀具寿命的主要因素。
MQL的应用在刀具寿命和表面粗糙度方面并不总是有效的。MQL只在一定的切割速度下才有效。在本实验中，MQL在切割速度为135m/min时最有效，以获得更好的刀具寿命。
由于较高的颗粒难以穿透切割区，MQL较高在切割速度下效率较低。当施加更高的切割速度时，需要更高的压力来确保雾颗粒能够穿透切割区。
切削参数对表面粗糙度的直接影响并不显著。表面粗糙度更多地取决于刀具的几何形状和机器结构的稳定性。但与其他切割参数相比，给料速率对表面粗糙度的影响更为显著。
虽然MQL对刀具寿命的影响不显著，但当使用刀具磨损时，MQL似乎更有效。工具与工件之间的接触面积越大，润滑效果越好。
