任家隆，胡小康

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江　212003)

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亞干式冷卻方式對(duì)鈦合金車削切削力的影響

任家隆，胡小康

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

摘要：在CA6140車床上對(duì)鈦合金進(jìn)行切削試驗(yàn)，運(yùn)用正交試驗(yàn)法選取10個(gè)4因素5水平試驗(yàn)組；對(duì)比亞干式切削與濕式切削在相同切削參數(shù)下切削力值的大小.試驗(yàn)表明：在選擇合適的切削條件下，亞干式切削力值小于濕式切削力值，證明了亞干式切削可以超越濕式切削的效果.

關(guān)鍵詞：鈦合金；正交試驗(yàn)；亞干式切削；濕式切削；切削力

盡管新的加工方式正在逐步取代傳統(tǒng)加工方式，但車削加工在加工領(lǐng)域中的霸主地位依舊沒有被動(dòng)搖，目前仍然是最主要的加工方式.在傳統(tǒng)的車削加工中，多采用冷卻液澆注的方式進(jìn)行冷卻，這種冷卻方式不僅危害環(huán)境，而且對(duì)工人的健康造成嚴(yán)重的威脅.

亞干式切削[1-3]是基于綠色環(huán)保，以一定壓力的冷風(fēng)射流為動(dòng)力，運(yùn)載適量冷卻及微量潤(rùn)滑介質(zhì)，形成汽化對(duì)流強(qiáng)化換熱和微潤(rùn)滑的多流體耦合冷卻切削技術(shù)，在確保加工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，為綠色加工提供了一種新的冷卻方式.

現(xiàn)代化工、儀器儀表、航天、軍事工業(yè)對(duì)鈦合金材料的需求量大增.鈦合金[4-8]由于具有塑性變形量小、強(qiáng)度極高、彈性模量低、導(dǎo)熱性差等特點(diǎn)，使得對(duì)鈦合金的車削非常困難；在車削加工中，運(yùn)用低溫微潤(rùn)滑冷卻方式，不僅可以有效降低被加工件表面溫度，而且可以使被加工材料的表面脆性增加，便于對(duì)鈦合金進(jìn)行切削.本研究對(duì)鈦合金切削問題進(jìn)行研究，以求為加工生產(chǎn)提供參考.

1試驗(yàn)裝置及參數(shù)

1.1試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)在CA6140車床上進(jìn)行.低溫制冷系統(tǒng)由空氣調(diào)節(jié)器和冷凝器組成，可以達(dá)到最低-23 ℃的冷卻效果.試驗(yàn)冷風(fēng)溫度設(shè)置在-19 ℃，冷卻液流量由玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制.選用DJ-CL-1型切削力測(cè)量?jī)x采集數(shù)據(jù).

1.2試驗(yàn)相關(guān)參數(shù)

切削試驗(yàn)的試驗(yàn)組見表1.

表1　切削試驗(yàn)組

影響切削的4因素5水平的正交試驗(yàn)見表2.

表2　4因素5水平表

刀具和工件的數(shù)據(jù)見表3.

表3　刀具和工件的參數(shù)

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1切削力測(cè)量值

試驗(yàn)所測(cè)得的切削力值見表4.

表4　切削力值　N

續(xù)表4

取表4中10組試驗(yàn)所測(cè)得的切削力平均值，以試驗(yàn)組號(hào)為橫軸，以切削力平均值為縱軸，繪制圖1.從圖看出，切削力值曲線為雙峰曲線，在第4組和第5組之間出現(xiàn)第1次峰值，約為1000 N，第2次峰值出現(xiàn)在第7組和第8組之間，約為1500 N.切削力谷值出現(xiàn)在第6次試驗(yàn)，約為500 N.從圖1還可以得知，在10組試驗(yàn)數(shù)據(jù)中，除第7組和第8組外，切削力值在500～1000之間波動(dòng).查表1和表2可知，可能與該切削條件下背吃刀量值較大有關(guān)(分別是2.0 mm和2.5 mm).由金屬切削原理可知，背吃刀量增大會(huì)使切削面積增大，這是因?yàn)樵谠龃蟊吵缘读繒r(shí)，切削厚度保持原樣而切削寬度與背吃刀量的變化成正比關(guān)系.因?yàn)榍邢鲗挾鹊淖兓篌w上不影響摩擦因數(shù)和變形因數(shù)，所以背吃刀量對(duì)主切削力的影響也成正比例增加.在試驗(yàn)過程中，第7和第8組試驗(yàn)刀尖出現(xiàn)了較大面積的紅熱部分，這提示切削溫度很高，查看切削力值可知，這兩組的切削力值也很大.實(shí)際加工過程中，在選擇切削參數(shù)的時(shí)候要避開這兩組試驗(yàn)的試驗(yàn)條件，避免出現(xiàn)崩刀或者過燒現(xiàn)象.

2.2相同切削速度下切削力變化

圖1　切削力值圖

取第2～5組試驗(yàn)，以試驗(yàn)組號(hào)為橫軸，以切削力平均值為縱軸，繪制圖2.從圖中可以看出，隨著背吃刀量和進(jìn)給量都增大時(shí)，切削力值也在跟隨著變化.這是因?yàn)楸吵缘读亢瓦M(jìn)給量的增大都能夠改變切削變形力和摩擦力，而兩者的影響卻是存在差異的.由于進(jìn)給量增大致使切削厚度增大，從而減小了變形因數(shù)和摩擦因數(shù)，所以切削力和進(jìn)給量之間不存在正比例的增加關(guān)系.在第5組試驗(yàn)中，背吃刀量取5 mm，進(jìn)給量減小為0.1 mm/r，但切削力仍然增大，說明在同等條件下，背吃刀量對(duì)切削力的影響大于進(jìn)給量的影響.所以在實(shí)際加工中，從刀具載荷的角度來考慮，優(yōu)先選用大的進(jìn)給量.

2.3相同背吃刀量下切削力變化

圖2　相同切削速度下切削力變化圖

取第1、3、13組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以試驗(yàn)組號(hào)為橫軸，以切削力平均值為縱軸，繪制圖3.隨著切削速度的增加，該曲線幾乎呈直線增長(zhǎng).雖然進(jìn)給量在第10組試驗(yàn)中變小，但切削力值仍是增大.這與用YT15硬質(zhì)合金刀具加工45鋼所得到的前部曲線走勢(shì)是相符合的，即當(dāng)切削速度≤50 m/min時(shí)，由于積屑瘤的出現(xiàn)使車刀的實(shí)際前角變大，導(dǎo)致了切削力的變化.

2.4相同進(jìn)給量下切削力變化

圖3　相同背吃刀量下切削力變化圖

取第5、7、9、14組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以試驗(yàn)組號(hào)為橫軸，以切削力平均值為縱軸，繪制圖4.在試驗(yàn)中，切削速度從30 m/min增加到45 m/min，而背吃刀量從5 mm減少到2 mm.比較第5組和第7組的試驗(yàn)條件可知，第7組試驗(yàn)切削力較大的原因可能是：第1、5組為切削液冷卻，第7組為亞干式A冷卻，亞干式切削導(dǎo)致了如此大的切削力出現(xiàn)，但由圖1中的第1、2組試驗(yàn)可知，亞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??；第5組的切削速度為30 m/min，背吃刀量為5 mm，第7組的切削速度為35 m/min，背吃刀量為4 mm，而切削力在第7組變得很大，有可能是積屑瘤[9]在第7組的試驗(yàn)條件范圍內(nèi)出現(xiàn)而導(dǎo)致的.

2.5相同切削方式下切削力變化

圖4　相同進(jìn)給量下切削力變化圖

將10組試驗(yàn)數(shù)據(jù)按切削方式分類，以試驗(yàn)組號(hào)為橫軸，以切削力平均值為縱軸，繪制圖5.圖中4條曲線分別表示濕式切削(冷卻液切削)、亞干式切削A、亞干式切削B、亞干式切削C.前3條曲線的走勢(shì)基本一樣，切削力隨著切削速度的增加而增加，而亞干式C的曲線波動(dòng)范圍和濕式切削差不多，在第6組試驗(yàn)中測(cè)得的切削力值是10組試驗(yàn)中最小的.這說明從切削力的角度來考慮，亞干式切削可以達(dá)到濕式切削的效果，甚至比濕式切削更好.切削力的來源主要有3個(gè)方面：克服彈性變形的抗力，克服塑性變形的抗力，克服前刀面和后刀面的摩擦力.所以，切削力的變化主要是由于摩擦力發(fā)生了變化.切削熱的來源主要是發(fā)生彈性、塑性變形而耗功以及摩擦而產(chǎn)生的熱量，本文由于試驗(yàn)設(shè)備問題沒有測(cè)量切削熱.切削力的變化說明了亞干式切削會(huì)影響到切削過程中的摩擦，所以亞干式切削也會(huì)影響到切削熱，從而影響刀具壽命及表面加工質(zhì)量等.

3結(jié)論

圖5　相同切削方式下切削力變化圖

利用亞干式切削技術(shù)中的低溫微量潤(rùn)滑技術(shù)，設(shè)計(jì)了4因素5水平的正交試驗(yàn)，選擇10組試驗(yàn)進(jìn)行切削試驗(yàn).分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到如下結(jié)論：

1)對(duì)于多因素變量的試驗(yàn)，正交試驗(yàn)?zāi)苡行p少試驗(yàn)次數(shù)，得到相對(duì)準(zhǔn)確的結(jié)論，并有效節(jié)約了試驗(yàn)時(shí)間，精簡(jiǎn)了試驗(yàn)過程.

2)切削試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，亞干式切削可以達(dá)到濕式切削的效果，在選擇合適的切削條件下，亞干式切削力值小于濕式切削的力值，從而證明了亞干式切削可以超越濕式切削；此外，亞干式切削更有利于環(huán)境保護(hù)，符合綠色制造的要求.

3)相同切削速度下的切削力對(duì)比表明，背吃刀量對(duì)主切削力的影響大于進(jìn)給量，因此，從刀具壽命、工件表面質(zhì)量及機(jī)床剛度等方面考慮，實(shí)際加工中優(yōu)先考慮選用大的進(jìn)給量.

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(編輯武峰)

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

中圖分類號(hào)：TG51

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-358X(2015)01-0073-05

作者簡(jiǎn)介：任家隆(1951-)，男，江蘇淮安人，教授、碩士生導(dǎo)師，主要從事綠色制造加工技術(shù)研究.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50845064)

收稿日期：2014-09-01