高温合金在MQL条件下的切削研究

张晓琴 杨欣怡

摘要：在传统浇注式、干切削和MQL 3种不同润滑条件下，对高温合金材料进行了车削试验。通过设计多因素正交试验法，测量切削过程中的动态平均切削力;比较不同润滑方式对切削力及切削温度的影响，绘制出影响曲线图，揭示高温合金材料在车削过程中的切削力变化情况，为实际的生产加工提供参考数据。

关键词：高温合金;传统浇注式;干切削;MQL

0 引言

在传统的车削加工中，为保证加工精度及刀具使用寿命，通常采用浇注式切削润滑方式，因此在加工过程中需要使用大量切削液，但是一般的切削液中往往含有大量的润滑剂、防腐剂以及防锈添加剂，所以大量使用切削液不仅大大增加了加工成本，而且会对人体和环境造成极大危害。随着人们环境保护意识的不断增强，各国学者对MQL（minimum quantity lubrication）在车削加工、铣削加工和钻削加工等方面的应用进行了研究。目前，MQL技术主要应用于铸铁、钢和铝合金的钻孔、铰孔和攻丝加工以及深孔钻削等。就目前国内外研究材料来看，研究这种新型技术所用的材料都是常用的普通材料[1]，而本文研究选用高温合金这种难加工的材料，通过对比其在干切削、浇注式切削和MQL 3种润滑方式下的切削力、切削温度差异，探讨MQL这种绿色加工技术应用于难加工材料时的加工效果，为实际的生产加工提供参考数据。

1 MQL技术

MQL（minimum quantity lubrication）技术是将压缩气体与极微量润滑液混合汽化后，喷射到加工区，对刀具和工件之间的加工部位进行有效润滑。MQL可以大大减少“刀具-工件”和“刀具-切屑”之间的摩擦，起到抑制温升、降低刀具磨损、防止粘连和提高工件加工质量的作用，既提高了工效，又不会对环境造成污染。

2 高温合金的机械性能及切削性能

高温合金是在1 000 ℃左右条件下使用的一种工程材料，广泛应用于航天航空领域以及各种热处理设备中。由于高温合金中含有许多高熔点金属元素，例如Fe、Ti、Cr、Ni、V、W、Mo等，这些高熔点金属元素与其他金属元素构成纯度高、组织致密的奥氏体合金，而且有的元素又与非金属元素C、B、N等构成硬度高、比重小、熔点高的金属与非金属化合物，使其切削加工性能变得很差。高温合金的相对切削加工性能只有45号钢的5%～20%。本次研究所用材料为镍基高温合金GH4169[2]，其机械特性如表1所示。

3 试验及分析

3.1    试验方案及仪器

试验方案：本次试验运用多因素正交试验法，将高温合金分别在干切削、MQL、传统浇注式润滑条件下进行车削加工。在测量切削力时，根据实验设备和刀具条件，选定4个因素的4个水平，设计4×4正交试验表如表2所示，各切削参数水平取值范围由工厂实际生产参数及机床、刀具性能估算选定。在测切削温度时，选取统一切削用量，分别测量3种润滑方式下的切削温度。

试验仪器：CTL-40/1.5型冷风机、红外测温仪、CA-lA动态电阻应变仪、三向车削测力仪。试验平台如图1所示。

3.2    试验结果及分析

3.2.1    切削力测量及分析

本文仅研究润滑方式对切削力的影响，根据试验数据对多因素正交试验进行直观分析，如表3所示。

根据表3做出分析柱形图，如图2所示。

经分析，与干切削相比较，使用MQL润滑方式可以大大降低切削力;與传统浇注式即湿式润滑方式相比较，MQL润滑方式下的切削力基本与湿式润滑方式下的切削力相等。而在用量不同的MQL润滑，即A（5 mL/h用油量）、B（8 mL/h用油量）方式下，用量大的切削力略小，但并不与切削用量成正比。所以MQL技术在切削高温合金材料时，在减小切削力方面效果显著。

3.2.2    切削温度的测量与分析

切削热是切削过程的重要物理现象之一。切削温度能改变前刀面上的摩擦系数、工件材料的性能、影响积屑瘤的大小、已加工表面的质量、刀具磨损和耐用度以及影响生产率等。图3（a）、图3（b）、图3（c）分别为干切削、浇注式润滑和MQL润滑条件下切削温度的测试，在3种润滑方式下的切削温度试验所用到的切削用量统一为切削速度35 m/min，进给量0.09 mm/r，背吃刀量4 mm。

由图3可以看出，MQL润滑条件下的切削温度最小，干切削条件下的切削温度最高。3种润滑方式下的切削温度对比情况如图4所示。

4 结论

（1）在同样的切削（除润滑方式不同）条件下，MQL润滑条件下的切削力比干切削条件下的小，且相差幅度较大，而与传统浇注润滑方式条件下的切削力基本相等。

（2）在同样的切削（除润滑方式不同）条件下，MQL润滑条件下的切削温度最小，传统浇注润滑条件下的切削温度次之，而干切削条件下的温度最高。

（3）在MQL条件下切削高温合金这种切削性能比较差的材料时，可以达到改善其切削性能、提高刀具的耐用度以及已加工表面质量的目的。

[参考文献]

[1] 李春胜，黄德彬.机械工程材料手册：金属材料[M].北京：电子工业出版社，2007.

[2] 北京市金属切削理论与实践编委会.金属切削理论与实践[M].北京：北京出版社，1979.