冷风静电微量润滑换热特性及其钛合金铣削加工性能研究①

吴锡转 刘福财 张若冲 胡晓冬 姚伟强 许雪峰

(浙江工业大学特种装备制造与先进加工技术教育部/浙江省重点实验室 杭州 310023)

0 引言

钛合金具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点,被广泛应用于航空航天、医疗、军工等领域。然而,钛合金导热系数和弹性模量小,加工过程中易出现切削温度高和刀具粘附磨损严重[1]等问题,影响其加工性能。目前,钛合金切削加工大都采用浇注润滑,但大量使用切削液易引起环境污染,危害作业人员健康。研究人员尝试采用微量润滑(minimum quantity lubrication,MQL)技术进行钛合金加工[2]。MQL 技术对易加工材料具有减少切削液用量,降低切削力和延长刀具寿命[3-4]等优点,但加工钛合金等难加工材料时,存在冷却性能不足、润滑失效[5]等问题。针对MQL 的技术缺点,国内外研究人员提出了一些微量润滑增效技术,如低温微量润滑(cryogenic minimum quantity lubrication,CMQL)、冷风微量润滑(cold air with minimum quantity lubrication,CAMQL) 和静电微量润滑(electrostatic minimum quantity lubrication,EMQL)等。

CMQL 技术[6]利用液氮、液态CO2等冷却介质结合MQL,对切削区进行冷却润滑。苏宇等人[7]使用CMQL 进行钛合金TC4(Ti-6Al-4V)铣削,发现CMQL 提高了润滑液的强迫对流换热能力,降低了铣削温度与铣削力,刀具的热裂破损减弱。然而,液氮使用成本高,液氮MQL 过低的温度还会导致钛合金的加工硬化,造成切削力增大和刀具过度磨损[8]。CAMQL 技术[9]通过涡流管、半导体等制冷方式冷却压缩空气,增强切削区的降温能力。李吉林[10]利用CAMQL 技术进行TC4 钛合金车削,发现冷风增强了润滑膜的承载能力,抑制了积屑瘤和鳞刺的形成,使工件表面质量提高。对比CMQL,CAMQL 使用成本下降,但设备制冷效率较低,冷却润滑综合能力有待进一步提高。

结合静电喷雾技术和微量润滑技术而提出的EMQL 技术,通过对润滑液接触荷电,产生的荷电气雾喷向切削加工区,润滑冷却刀/屑接触界面[11]。Xu 等人[12]考察了EMQL 铣削304 不锈钢时的加工性能,发现EMQL 技术促进了吸附膜和氧化层的形成,减少了刀具与工件的摩擦以及工件材料在刀具表面的粘附,改善了工件表面质量和刀具磨损。尽管EMQL 的冷却换热性能有一定程度的提高[13],课题组的前期研究和实践表明,EMQL 的冷却能力仍不能很好应对钛合金等难加工材料加工过程中产生的高温问题。

基于以上研究现状和存在的问题,本文提出一种冷风静电微量润滑(cold air with electrostatic minimum quantity lubrication,CAEMQL) 技术,结合CAMQL 的冷却增强性能和EMQL 的润滑增强性能,通过对CAEMQL 技术的换热特性和加工性能的分析研究,考察这种新工艺对钛合金TC4 铣削加工的可行性。

1 实验方法

1.1 冷风静电微量润滑系统

冷风静电微量润滑系统原理图如图1 所示,系统由调压阀、涡流管、储液箱、蠕动泵、静电发生器、荷电座和喷嘴等组成。静电微量润滑装置为自研设备,蠕动泵将储液箱内的润滑液输送进入润滑液管路,静电发生器输出的高压负电使液管中的润滑液接触荷电。涡流管将常温压缩空气通过涡流变换分离成冷、热两股压缩空气,冷压缩空气进入荷电座,并在喷嘴出口将润滑液雾化成低温荷电气雾。涡流管型号为AH20025(美国埃泰克公司),在室温20 ℃、入口气压0.6 MPa 工况下,冷端出口能产生温度为-5 ℃、气压为0.2 MPa 的冷风作为冷却介质。

图1 冷风静电微量润滑系统原理图

1.2 冷风静电微量润滑换热实验

1.2.1 瞬态换热实验

瞬态换热实验可揭示冷风静电微量润滑喷雾冲击高温壁面时的瞬时换热特性,图2 为瞬态换热实验装置原理图。实验时,启动电炉电源,电炉中设置的K 型热电偶将采集到的温度反馈至ST507 系列智能温控仪(温州上通仪表有限公司),温控仪根据输入温度信号向固态继电器输出控制信号,控制电炉电源的通断,实现炉温的恒温控制。启动冷风静电微量润滑系统,调整好各项参数(荷电电压、气压、润滑液流量、喷嘴距离等),待喷雾稳定后,快速抽走覆盖在紫铜试件上的挡板,低温荷电气雾直接喷射到紫铜试件上表面,RX4006D 测温仪(杭州美控自动化技术有限公司)通过焊在紫铜试件上表面的热电偶实时采集温度,即可获得换热表面温度变化曲线。换热表面的临界热流密度可通过一维导热的数值解析方法获得。

图2 瞬态换热实验装置原理图

1.2.2 稳态换热实验

稳态换热实验可用来研究冷风静电微量润滑喷雾冲击加工区域时的换热特性。图3 为稳态换热实验装置原理图。使用低电压、大电流交流电对镍铬合金片试件(10 mm×3 mm ×0.2 mm)持续加热,模拟铣削加工热源。镍铬合金片试件底部焊有K 型热电偶,并与RX4006D 测温仪连接,实时采集温度。实验时,首先启动冷风静电微量润滑系统,待其喷雾稳定后,逐渐增大电加热装置的输入电压,当测温仪测得换热表面温度达到动态平衡时,记录试件表面温度Tw,并利用数字万用表和电流表记录试件两端电压值U和电流值I。由q=UI/A计算获得试件表面热流密度,其中A=0.3 mm2为试件表面积。试件表面的换热系数可由h=q/(Tw-Tf) 计算得到,其中Tf为喷雾温度。瞬态换热实验及稳态换热实验时,冷风静电微量润滑系统的各项参数依据前期实验优化选取,实验条件如表1 所示。

表1 换热实验喷雾参数

图3 稳态换热实验装置原理图

1.3 冷风静电微量润滑铣削加工实验

在VDF-850 型立式数控铣床上进行铣削加工实验研究,图4 所示为铣削加工实验装置实物图。工件材料为钛合金TC4,工件尺寸100 mm ×75 mm×70 mm。实验前,工件表面预先切除1 mm 厚度以保证工件加工表面性能一致。刀具采用APMT1604PDER-H08 硬质合金涂层刀片(日本住友公司),刀柄为TAP400R-C32-35-200-3T 三齿刀柄,直径为35 mm,每组实验均换用新刀片进行测试。润滑液为水基切削液QC-3801(清华大学天津高端装备研究所),以10%体积分数兑水稀释后用于实验。实验条件如表2 所示。

表2 铣削加工实验参数

图4 铣削加工实验装置实物图

采用FC3D120 型三向测力仪(上海耐创测试技术有限公司)测量各冷却润滑条件下的铣削力。采用FOTRIC 226 型手持在线热像仪(德国飞础科公司)采集加工过程中铣削区的温度。该方法属于间接测量方法,虽然不能获得铣削区的真实温度,但可用于对比不同工况下的铣削温度。使用SJ-210 型便携式粗糙度测量仪(日本三丰公司)测量加工工件表面的Ra值,测量过程中沿着铣削方向等距选取10 个测量点并计算平均值作为最终数据。采用VW-6000 光学显微镜(日本基恩士公司)观测不同工况下的刀具后刀面磨损量,以刀具后刀面磨损量VB值达到300 μm 作为磨钝标准。采用VHX-6000超景深三维显微系统(日本基恩士公司)观察切屑表面形貌。利用EVO18 扫描电子显微镜(SEM,德国卡尔蔡司公司)分析刀具磨损表面形貌。

2 结果与讨论

2.1 冷风静电微量润滑的换热特性

图5 为不同工况下在气雾喷射到紫铜试件表面时试件表面温度变化曲线及其对应的临界热流密度。可以看到,CAEMQL 工况下,试件表面温度下降最快,其临界热流密度相比MQL、EMQL 及CAMQL分别提高了55.56%、30.23%及21.74%。低温冷气增大了紫铜试件表面与空气之间的平均温差,冷风和低温液滴接触到高温表面时,迅速带走大量热量;同时,荷电可减小液滴的粒径与接触角,增加了液滴与试件表面的接触面积,提高了液滴的换热效率,因此冷风静电微量润滑的瞬态换热能力更强。

图5 不同工况下气雾的瞬态换热特性

图6 给出了不同工况下气雾的稳态换热特性。可以看出,CAEMQL 表现出最好的稳态换热能力。在换热表面温度为170 ℃时,CAEMQL 工况下的表面热流密度分别比MQL、EMQL 和CAMQL 提高了38.82%、16.42%和12.50%,稳态换热系数分别提高了34.67%、13.48%和10.99%。当换热表面温度较低时,热量仅能通过液膜传导并从液膜表面蒸发散热;随着试件表面温度上升,液膜产生气泡,换热形式从强迫对流蒸发过渡到核态沸腾,气泡的生成与破裂带走大量热量[14]。EMQL 工况下,液滴荷电后表现出较小的粒径与润湿角,使得液滴更易在试件表面铺展,减少液膜厚度,接触热阻降低,液滴换热效率提高。CAMQL 条件下,冷风冲击换热表面,以及低温液膜蒸发,换热系数显著提高。结合了冷风和荷电双重增效的CAEMQL,冷风增大了与镍铬合金片的温差,小粒径液滴接触到高温表面时更易汽化,换热能力大幅增强,因此其稳态换热性能更好。

图6 不同工况下气雾的稳态换热特性

2.2 冷风静电微量润滑的铣削加工性能

图7(a)和(b)示出了不同冷却润滑工况下的TC4 钛合金的切向铣削力Fx和法向铣削力Fz变化情况。可见,荷电及低温冷风均可降低铣削力,效果最好的CAEMQL 对比MQL、EMQL 及CAMQL,其Fx分别下降了20.56%、15.14%及6.24%,Fz分别下降了16.85%、4.92%及7.16%。在荷电工况下,液滴在刀/屑和刀/工件接触区具有较好的渗透性能,有利于形成承载能力更强的润滑膜,获得良好的减摩抗磨效果,降低铣削力。在冷风工况下,低温冷却效应尽管一定程度上提高了工件材料的硬度,但同时降低了工件材料的塑性和韧性,减少工件材料在刀具表面的粘附,有利于降低刀具与工件、切屑的摩擦力,两者的综合影响在实验工况下表现出铣削力的降低。结合EMQL 与CAMQL 优点的CAEMQL 在冷风的冷却和荷电液滴的润滑下,进一步减轻了刀具与工件之间的摩擦与粘附,表现出更小的铣削力。

图7 不同工况下的铣削加工性能

图7(c)所示为不同冷却润滑工况下的铣削温度变化情况。可以看出,CAEMQL 工况下的铣削温度最低,对比MQL、EMQL 及CAMQL 分别下降了32.66%、27.04% 及4.27%。由换热实验可知,CAEMQL 具有较高的热流密度及换热系数,换热性能较好。荷电液滴具有较小的粒径和接触角,在铣削过程中更多的液滴渗透进入切削区参与润滑,改善了刀具与工件之间的摩擦状况,减少了摩擦热的产生;冷风则提高了气雾的对流换热能力,抑制了铣削区的温升,因此CAEMQL 工况下的铣削温度最低。

图7(d)所示为不同冷却润滑工况下的工件表面粗糙度Ra值变化情况。可以发现,CAEMQL 工况下的工件表面光洁程度优于其他工况,Ra值分别比MQL、EMQL 和CAMQL 减少了26.47%、17.81%和8.91%。在MQL 工况下,较高的铣削温度导致工件材料较强的热软化效应,工件材料的塑性应变及刀具的粘着磨损加剧,较大的铣削力也会使工件表面产生较深的划痕,对工件表面质量产生不利影响。EMQL 工况下,荷电液滴的润滑增效能力减少了刀具与工件的划擦,提高了工件表面质量。CAMQL 的低温气体具有良好的冷却效果,使刀具与工件之间的粘附减少,降低了铣削力;同时工件材料的脆性增加,切屑断裂性更好,防止了切屑对已加工工件表面的损伤。CAEMQL 兼具EMQL 和CAMQL 的优点,荷电液滴持续渗透进入切/屑界面毛细网络,低温冷气则降低刀具与工件之间的化学反应性,防止切屑粘附,两者协同作用,有效提高了工件表面质量。

2.3 切屑形貌分析

切屑的形成是在铣削过程中切削载荷、材料断裂与变形共同导致的结果。切屑由自由面、背面(与刀具前刀面接触)、顶面以及底面组成[15]。切屑实物图如图8 所示,本文主要对切屑自由面及背面形貌特征进行分析。

图8 切屑的实物图

图9 所示为不同冷却润滑工况下切屑自由面形貌及其法向表面轮廓线图。可见,各工况下切屑自由面均存在大量连续褶皱结构,以褶皱的顶高减去褶皱的根高作为褶皱的高度,其平均高度如图10所示。CAEMQL 工况下褶皱的平均高度比MQL、EMQL 和CAMQL 分别减少了27.55%、18.03%和4.04%。褶皱是铣削过程中刀具与切屑挤压引起的塑性变形导致,MQL 工况下较高铣削温度带来的热软化效应导致材料韧性提高,在较大铣削力作用下,切屑材料周期性塑性堆积,褶皱高且清晰。在EMQL 和CAMQL 工况下,褶皱高度有所减少,这是由于荷电液滴良好的润滑性能有助于减少刀具、工件与切屑之间的摩擦,降低了铣削力,切屑形成过程的塑性堆积缓解;低温冷却效应则降低了材料的塑性与韧性,一定程度提高了切屑的硬度,切屑形变减小。结合EMQL 和CAMQL 技术的CAEMQL 工况,冷风和荷电润滑液的协同作用有效缓解切屑形成过程的塑性堆积,切屑褶皱起伏小。

图9 不同工况下切屑的自由面形貌及其表面轮廓

图10 不同工况下切屑的褶皱高度

图11 所示为不同冷却润滑工况下的切屑背面形貌。可以看出,各工况下的切屑背面均有明显划痕。背面为切屑与刀具的前刀面接触面,其划痕是摩擦力和接触压力的作用结果[16]。在MQL 工况下,较大的铣削力导致切屑背面较深的划痕,并呈现刀屑摩擦导致的撕裂痕迹,较高的铣削温度导致蓝紫色的高温烧伤痕迹,反映出其较差的铣削性能。在EMQL 工况下,得益于荷电液滴较强的渗透润滑能力,刀具与切屑之间的摩擦作用减弱,划痕形变有所缓和。CAMQL 工况下,冷风降低了切削区的温度,切屑硬度提高,与刀具的粘着减少,表现出划痕变浅和撕裂痕迹变小的特点。CAEMQL 在CAMQL的基础上对液滴进行了荷电,在冷却和润滑增效作用下,划痕更浅,撕裂痕迹更少,说明冷风和切削液荷电的协同作用有效改善了切削区的摩擦情况,提高了铣削性能。

图11 不同工况下切屑的背面形貌

2.4 刀具磨损机理分析

图12 为不同工况下刀具后刀面磨损量随铣削长度增加的变化进程,图13 给出了不同铣削长度及VB值达到300 μm 时的刀具后刀面磨损面光学显微照片。从图12 可以看出,CAEMQL 工况的刀具寿命最长,其有效铣削长度分别比MQL、EMQL 和CAMQL 增加了41.18%、14.29%和26.32%。冷风静电条件下铣削力、铣削温度最小,对保护刀具起到重要作用。从图13可以看出,在铣削长度1000 mm时,各工况下的切削刃上均出现不同程度的工件材料粘附,表明刀具的磨损机制以粘着磨损为主。在铣削长度达到2000 mm 时,MQL 及EMQL 就已出现切削刃钝化现象,刀具后刀面磨损开始加快,进入快速磨损阶段。此时CAMQL 刀具后刀面磨损量小于MQL 和EMQL,说明冷风降低了铣削温度,能有效保持刀具的强度,明显减少与铣削温度密切相关的粘着磨损。从图12 中还可看出,在铣削长度达到2800 mm时,EMQL 的刀具磨损量反而小于CAMQL,说明刀具进入快速磨损阶段后,EMQL 较强的润滑促进特性缓解了磨损面的扩展,在铣削长度3000 mm 时,EMQL 工况的刀具磨损量已低于CAMQL,如图13 所示。CAEMQL 则充分发挥了EMQL 润滑效果好与CAMQL 冷却效果佳的协同作用,刀具的使用寿命有效提高。

图12 不同工况下刀具后刀面磨损量随铣削长度的变化进程

图13 不同工况下刀具后刀面磨损面变化进程的光学显微照片

不同冷却润滑工况下在铣削长度为2000 mm时刀具后刀面的SEM 图如图14 所示。从图14(a)可见,MQL 工况下刀具切削刃出现了微裂纹及微崩刃。这是因为MQL 工况下铣削力和铣削温度较高,随着刀齿的切入和切出,刀具承受着交替变化的热应力和接触应力,易引起应力疲劳[17],伴随切削刃裂纹产生和扩展,最终导致刀具局部崩刃,影响了刀具寿命。由图14(b)可见,EMQL 工况下没有观察到裂纹及崩刃,但在后刀面上较早地形成了月牙洼形的磨损形貌。这是因为涂层材料与刀具基体之间的线膨胀系数不同,在加工过程中由温度变化导致的形变量不同,致使涂层表面存在残余应力,易引起涂层剥落。刀具涂层脱落后,刀具基体与工件直接摩擦并粘附,伴随粘附层的剥落刀具材料被带走,导致刀具后刀面上形成凹坑即月牙洼磨损。CAMQL工况下的刀具表面形貌如图14(c)所示,可观察到刀具存在较窄的工件材料粘附层和少量涂层剥落,这是由于冷气降低了铣削温度,减轻了刀具及工件材料的热软化及粘附。图14(d)为CAEMQL 工况下的刀具表面磨损形貌,相比CAMQL,其切削刃表面更为光滑、粘附层更少,说明在荷电液滴的润滑下,刀具与工件之间摩擦力减小,磨损更加均匀;同时,冷风减少了切削区的温度变化,刀具表面热应力降低,并且冷风增加了润滑液的粘度,增强了润滑膜的承载能力,协同增强效应使CAEMQL 工况的刀具磨损量最小,寿命更长。

图14 不同工况下刀具后刀面SEM 图

3 结论

本文采用冷风静电微量润滑技术进行换热实验及钛合金TC4 铣削实验,得出如下结论。

(1)低温冷风增大了与换热试件间的温差,对流换热能力提高;切削液荷电后液滴粒径和接触角减小,与换热试件的接触面积提高,蒸发换热效率增强,导致冷风荷电气雾的临界热流密度和稳态换热系数提高,换热性能增强。

(2)冷风静电微量润滑铣削钛合金TC4 时,冷风介质的低温冷却效应有利于材料由塑性向脆性转变,荷电切削液的润滑增强效应降低了刀/屑间的摩擦,两者协同导致切屑自由面的塑性变形减小,周期性褶皱高度降低;切屑背面划痕浅,撕裂减弱。

(3)钛合金TC4 铣削过程中,冷风静电微量润滑工况下的铣削力、铣削温度和工件表面粗糙度Ra值相比微量润滑分别下降了33.75%、32.66% 和26.47%;冷风静电微量润滑可有效减轻刀具的粘着磨损,延长刀具寿命。