納米磁性冷卻液在Ti6Al4V高速銑削中的傳熱特性研究*

□ 陳宇曉 □ 王靈玲

寧波職業技術學院機械系 浙江寧波 315800

隨著經濟的發展，普通材料已不能滿足需要，新型材料層出不窮，以Ti6Al4V為代表的含鈦合金就是其中之一，它的綜合機械性能非常出色，在石化、汽車、軍工等領域，是制造發動機部分零部件的理想材料，具有廣闊的應用前景，已成為鈦合金行業的主力牌號。但是其切削加工工藝性比較差，切削溫度比較高，切削力比較大，導熱系數相當小 （只相當于1Cr18Ni9Ti的一半），比45鋼更要小很多。切削時產生的熱不易傳出，集中在刀尖及主副切削刃周圍的較小區域內。鈦合金在切削時，容易和刀具材料在高溫下發生擴散、黏結和化學反應，對切削過程非常不利，容易損壞刀具。

切削液是一種常用的鈦合金高速銑削冷卻方法，主要有水溶液、乳化液、切削油、通用切削液等。蘇宇、田佳、韓榮第等［1-3］把常規切削液采用一般施加方式與特殊施加方式 （如加壓縮空氣滴噴或用水蒸氣及氮氣作為輔助冷卻介質等），在鈦合金高速銑削中進行比較研究，同干切相比這些冷卻方法有一定的效果。趙威等［4］研究了鈦合金在水溶液冷卻狀態下的摩擦學特性；姜 峰［5］研究了不同冷卻潤滑條件下Ti6Al4V的高速加工機理。 國外學者 Nouari M 和Giniing A［6］等在干切、濕切、液氮冷卻的不同環境下，研究用未涂層刀具切削Ti6Al4V。

雖然進行了大量的工作，但上述冷卻方法還是存在切削力波動大、刀具的溫度梯度大、熱應力高等不足之處。納米材料科學的發展給強化傳熱領域帶來了新的機遇，目前在國內，王學軍［7］等系統研究了潤滑油中Fe3O4納米粒子的添加量對鈦合金冷擠壓成形的最大成形力、成形功、表面質量（Ra）及硬度（HV）的影響規律，并對其潤滑機理進行了分析,結果表明，當潤滑油中Fe3O4納米粒子質量分數為8%時,納米改性潤滑油的潤滑效果最佳,擠壓成形力和成形功最小,成形件表面質量最好。顧雪婷、張羽翔等［8-9］學者分析了納米流體強化冷卻的機理，進行了一系列實驗，說明了加入納米材料對流體物理性能的影響，以及不同納米材料對流體導熱、對流及幅射性能的影響，最終結果發現加入納米材料能改善冷卻效果。

在鈦合金Ti6Al4V高速銑削過程中，目前未見添加Fe3O4納米磁粉材料制成納米磁性冷卻液以及進行熱傳導方面研究的文獻報道。本文為提高鈦合金Ti6Al4V的切削效率和切削質量，以一定比例在普通冷卻液中添加Fe3O4納米磁粉材料，形成一類新的傳熱冷卻、潤滑介質,并對這一類介質的傳熱特性進行研究。

1 銑削溫度的變化

試驗條件：選用山特維克公司的可轉位銑刀,配硬質合金刀片。銑削速度v取100 m/min、120 m/min、140 m/min、160 m/min 四檔；切削寬度 ae=20 mm，進給速度fz=0.1 mm/齒；切削深度ap=0.5 mm。工件材料為鈦合金Ti6Al4V板材，冷卻液采用Blaser2000通用切削液及添加質量分數為8%的Fe3O4納米磁性液體冷卻液，控制流量8 ml/s。

根據劉鵬等［10］學者的研究，普通冷卻條件下銑削鈦合金時，銑削溫度θ可近似表達為：

根據式（1）可得，在普通冷卻條件下不同銑削速度的銑削溫度分別為 488℃、527℃、562℃、595℃。

現用實驗驗證，試驗條件同上，銑削溫度采用夾絲熱電偶法［11］測試，具體采用康銅絲與鈦合金組成熱電偶。兩個鈦合金工件把康銅絲及絕緣層夾在中間，然后用夾具夾緊，加工時工件變形破壞絕緣層，產生熱點形成熱電偶，測試方案如圖1所示，圖2為兩種冷卻條件下不同銑削速度時的銑削溫度變化。

▲圖1 銑削溫度測試方案

▲圖2 不同冷卻條件下的銑削溫度

▲圖3 Ti6A14V在不同溫度下的輻射率

▲圖4 不同冷卻條件下的HTC估值

從實驗結果發現，普通冷卻條件下銑削鈦合金時，銑削溫度與經驗公式（1）吻合較好。采用添加Fe3O4的納米磁性液體冷卻液時，銑削溫度有所降低。

2 試件熱對流系數HTC的變化

在熱對流研究中，考慮熱幅射的影響，可以用熱對流系數HTC（Heat Transfer Coefficient）評估冷卻液與被加工表面之間的換熱能力［5，12］，HTC值越大則冷卻液與被加工表面之間的換熱能力越強。先用紅外溫度計測量試件表面溫度T，其測量依據為斯忒藩-玻耳茲曼定律：

式中：σ 為黑體輻射常數，σ=5.67×10-8，W/（m2·K4）；Eb為黑體單位面積產生的幅射能量，W/m2。

當物體為非黑體時，其單位面積產生的幅射能量E為：

式中：ζ是非黑體的輻射率，其值隨溫度而變化。

Ti6Al4V的輻射率見圖3［13］。將試件在電爐中加熱至800℃，出爐后測其溫差，由式（3）可知輻射傳熱量：

式中：A為試件除隔熱面外的總表面積。

對流傳熱量：

式中：h為熱對流系數HTC的估值；ΔT為測量時間間隔點的溫差。

總的傳熱量：

式中：ρ為試件的密度；V為試件的體積；c為試件的比熱容。

將式（4）、式（5）、式（6）代入式（7）得：

這樣就可以求得兩種冷卻潤滑方式下，不同溫度的熱對流系數HTC的估值。

實驗結果如圖4所示。

從實驗結果發現，采用添加Fe3O4的納米磁性液體冷卻液時，HTC有所提高，即納米磁性冷卻液增強了冷卻效果。

3 刀柄熱流量的變化

由 Bowden 和 Tabor公式［15］，得 t1-t2的計算式：

式中：μs為刀具與工件的摩擦因數；H為較軟的材料硬度；L為作用在接觸面上的力；v為切削速度；λA、λB為刀具與工件材料的熱導率。

熱導率與作用在接觸面上的力在文獻 ［16-17］中已有表述，較軟的材料硬度即鈦合金的硬度，其值為359 HV［18］，刀具與工件的摩擦因數取 0.37［5］, 根據不同的銑削速度：100 m/min、120 m/min、140 m/min、160 m/min，即可計算出內外壁溫差。再用紅外測溫儀測出內外壁溫差（實驗結果如圖5所示）。

從實驗結果發現，在不同銑削速度下刀柄內外壁的實際溫差要小于計算值，這可能與使用了冷卻液有

可以把刀具通過刀柄的導熱過程簡化為單層圓筒壁的穩定導熱，設想在半徑為r處以兩個等溫面為界劃分出一層厚度為dr、長度為l、熱導率為λ的薄壁圓筒，根據傅里葉定律［14］，單位時間內傳遞的熱流量Φ為：

分離變量后得：

▲圖5 不同銑削速度下的刀柄內外壁溫差

根據內外壁半徑分別為r1和r2、內外壁溫度分別為t1和t2的邊界條件，解此微分方程，可得單位時間、單位長度內傳遞的熱流量Φl：關。因K為常數，從式（12）可知，刀柄熱流量與內外壁的溫差成正比，所以不同銑削速度下刀柄熱流量的實際值要小于計算值。但采用普通冷卻液與采用添加Fe3O4的納米磁性冷卻液比較，刀柄內外壁的實際溫差無變化。由此說明，采用添加Fe3O4的納米磁性液體冷卻液后，單位時間單位長度內傳遞的熱流量沒有變化。

4 結論

（1）采用添加Fe3O4的納米磁性液體冷卻液時，銑削溫度有所降低。

（2）采用添加Fe3O4的納米磁性液體冷卻液時，試件的HTC有所提高，即納米磁性液體冷卻液增強了冷卻效果。

（3）添加Fe3O4的納米磁性液體冷卻液與普通冷卻液相比，刀柄單位時間單位長度內傳遞的熱流量沒有變化。

［1］ 蘇宇，何寧，李亮，等．低溫氮氣射流對鈦合金高速銑削加工性能的影響［J］．中國機械工程,2006,17 （11）:1183-1187.

［2］ 田佳，何寧，李亮．微量潤滑切削加工性能影響因素的研究［J］．工具技術，2009,43（5）:3-8．

［3］ 韓榮第，張悅，楊占軍，等．水蒸氣冷卻潤滑時高溫合金的綠色切削試驗 ［J］．南京航空航天大學學報，2010,42（1）:98-102．

［4］ 趙威，何寧，李亮．在氮氣介質中WC-Co/Ti6Al4V摩擦副的摩擦磨損性能研究 ［J］．摩擦學學報，2006,26 （5）：439-442．

［5］ 姜峰．不同冷卻潤滑條件Ti6Al4V高速加工機理研究［D］．濟南：山東大學，2009.

［6］ Nouari M,Giniing A．Wear Characteristics and Performance of Multi-layer CVD-coated Alloyed Carbide Tool in Dry End Milling ofTitanium Alloy ［J］．Surface and Coatings Technology，2006,200（18-19）:5663-5676．

［7］ 王學軍,李寧,顏家振.Fe3O4納米粒子添加量對潤滑油潤滑特性的影響［J］.機械,2010,37（10）:65-68.

［8］ 顧雪婷，李茂德.納米流體強化傳熱研究分析［J］．能源研究與利用,2008（1）:25-28．

［9］ 張羽翔，董華東，戚俊清.納米流體應用于熱管的前景 ［J］．化工裝備技術,2013，34（1）：47-49．

［10］劉鵬.聚晶金剛石刀具高速銑削鈦合金切削溫度分析［J］.哈爾濱工業大學學報，2011，43（11）：95-100．

［11］耿國盛，徐九華，傅玉燦，等.高速銑削近A鈦合金的切削溫度研究［J］. 機械科學與技術，2006，25（3）：329-332．

［12］ 楊世銘，陶文銓.傳熱學［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［13］ Seo S,Min O,Yang H.Constitutive Equation for Ti6Al4V at High Temperatures Measured Using the SHPB Technique［J］.International Journal of Impact Engineering，2005,31（6）:735-754．

［14］陳禮，吳勇華.流體力學與熱工基礎［M］.北京：清華大學出版社，2002.

［15］袁哲俊.刀具設計手冊［M］.北京：機械工業工業出版社，1999.

［16］ 陳萬勇.基于 ABAQUS的鈦合金銑削力的模擬分析［J］．工具技術， 2013，47（6）：10-13.

［17］李紅濤.鈦合金 Ti6A14V銑削力試驗分析［J］．工具技術，2011，45（12）：10-13.

［18］張向朋.鈦合金TC4與不銹鋼1Cr18Ni9Ti加工比較研究［J］．機械工程師，2013（6）：218-220．