TC4鈦合金在低溫CO2冷卻下的切削性能

肖 虎 李 亮

南京航空航天大學機電學院，南京，210016

TC4鈦合金在低溫CO2冷卻下的切削性能

肖 虎 李 亮

南京航空航天大學機電學院，南京，210016

TC4鈦合金在高速車削時易出現刀具磨損快和纏屑等問題，難以保證表面加工質量。利用自行組建的強壓液態CO2供給系統，將低溫CO2混合物高速射流作為冷卻潤滑介質，研究了低溫CO2射流下高速切削TC4鈦合金時的切削溫度、切削力、刀具磨損、表面粗糙度以及切屑的斷屑情況，并將其與干切削狀況進行了對比分析。結果表明，低溫CO2射流可有效降低切削溫度,減小切削力，減輕切屑纏繞，抑制刀具磨損并提高已加工表面質量。

高速切削；TC4鈦合金；低溫CO2；強化冷卻

0 引言

先進的冷卻潤滑方式是鈦合金等難加工材料高速切削過程中抑制刀具磨損和保證加工質量的主要手段之一。加工鈦合金等難加工材料時，將低溫CO2作為切削介質，可有效減小刀-屑界面的摩擦和切削力，降低切削溫度，從而提升刀具的耐磨性和工件已加工表面的質量[1]。低溫CO2作為冷卻劑應用于切削加工始于20世紀50年代[2]。INOUE等[3]的實驗研究表明，低溫CO2在鈦合金切削中對刀具磨損有抑制作用。CAKIR等[4]以N2、CO2等為鋼鐵類材料的切削保護氣體，并指出干冰冷卻劑在冷卻潤滑效果方面優于N2、Ar及其他惰性氣體和不易化學反應的氣體。同時，CAKIR等[4]研究分析了車削AISI-1040鋼時CO2射流對切削力、表面粗糙度、剪切角、前刀面摩擦因數等的影響。de CHIFFRE等[5]的研究表明，在切削奧氏體不銹鋼時，干冰作為切削冷卻劑的效果優于水基乳化液，刀具壽命、表面粗糙度和切削力都得到了很好的改善和提高。近年來，JEROLD等[6]、HONG等[7]以多種低溫氣體射流作為切削介質，進行了鈦合金切削實驗，證明了干冰射流的切削效果在切削溫度、切削力、工件表面質量和刀具磨損上優于其他氣體，是一種有著巨大潛力的切削冷卻潤滑介質。

上述將低溫CO2作為切削介質的實驗研究，在一定程度上揭示了低溫CO2在鈦合金等難加工材料切削加工中的重要作用。然而，如何構建簡單的低溫CO2供給系統，優化低溫CO2的流量，揭示TC4鈦合金高速切削時的低溫CO2作用機理等，均有待于深入系統的研究。為此，筆者以低溫CO2為切削介質，利用自行組建的強壓液態CO2供給系統，進行TC4鈦合金高速車削試驗，通過與干切削的對比，重點分析低溫CO2強化冷卻下的切削溫度、切削力、刀具磨損、表面粗糙度以及切屑的斷屑情況，揭示了低溫CO2的冷卻與減磨作用機理。

1 強壓液態CO2供給系統

在低溫CO2的噴射過程中，液態CO2必須始終處于6 MPa以上的高壓環境才能維持連續的液態傳輸。普通的管路和連接裝置很容易在高壓和低溫的作用下破裂并導致密封失效，為此需要一套特殊的液壓傳輸管路和連接裝置來將高壓鋼瓶內的液態CO2，以液體形式輸送至噴嘴或內冷刀處，進而形成高速低溫的CO2混合物射流。

圖1為強壓液態CO2供給系統組建圖。與文獻[6]中的供給系統相比，該系統取消了減壓閥，并用HOSE-602-0601-32MPA-MT型鋼絲編織液壓軟管(可耐高壓32 MPa)替換普通壓力軟管，來構建高壓低溫液壓管路。瓶內的液態CO2會以15MPa的強壓噴出，射流壓力高于文獻[6]中的供給系統(冷卻系統噴口處壓力為0.1 MPa)。圖1中噴嘴部分的詳細結構如圖2所示。

圖1 低溫液態CO2冷卻裝置Fig.1 Cryogenic liquid CO2 coolant setup

圖2 低溫CO2噴頭結構Fig.2 Structure of cryogenic CO2 nozzle

為便于調節射流噴射角度，噴嘴通過球閥與管路連接。噴嘴直徑為3.175 mm(1/8英寸)并內置120°錐度擋板。該噴嘴可以將強壓干冰混合物以最佳射速和流量噴出，并形成密集高速的低溫CO2射流。低溫CO2強冷切削現場如圖3所示。

圖3 CO2冷卻切削試驗Fig.3 Cutting experimentation in CO2 cutting coolant conditions

外噴冷卻時，噴射距離對冷卻能力有較大影響。為了獲得最佳射流溫度，采用XMT3000測溫儀測得了不同噴射靶距下，抵達切削區的射流溫度，如表1所示。顯然，在噴射靶距為40 mm時，可獲得最佳射流溫度-73 ℃。因此，本次試驗中的噴射靶距均設定在40 mm左右。

表1 不同噴射距離下的低溫CO2射流溫度

2 試驗條件與方法

2.1 工件材料、刀具與測量設備

試驗采用TC4鈦合金棒料，工件長240 mm，直徑100 mm。退火態TC4鈦合金棒料的主要力學性能為：剪切強度τ=656 MPa，屈服強度σ=969 MPa，延長率δ=16.2%，變形率ψ=16.2%。

刀桿型號為SCLCR2020K12。刀具為PCD刀具，刀具型號為CCGT 120404NN，刀具幾何參數為：前角γ0=15°，后角α0=7°，過渡棱寬0.2 mm，刀尖圓弧半徑0.4 mm，安裝刀片后刀具主偏角Kr=80°。

切削試驗在車床C6132AI上進行，使用Kistler 9265B測力儀實時采集切削力，使用Optris infrared thermometers 200紅外測溫儀對切削溫度進行監控。切削結束后，使用M201 Dynascope顯微鏡來觀察刀片前后刀面的磨損及磨損量。工件表面粗糙度則由Mahr-Pertho meterM1粗糙度測量儀檢測。

2.2 切削參數與方案

采用低溫CO2射流冷卻和常溫切削對比的方法來研究兩種冷卻方式對刀具磨損的影響。根據前期實驗結果以及刀具推薦參數，確定如下切削參數：切削速度v=100 m/min，進給量f=0.1 mm/r，切削深度ap=1 mm。

低溫CO2射流切削時，選取了兩組流量：350～450 g/min 和550～650 g/min。

3 試驗結果和分析

3.1 切削溫度和切削力

由于鈦合金化學活性大[8]，在 300 ℃、500 ℃和 600 ℃時分別與氫、氧和氮發生化學作用，形成硬脆表層(深度可達 0.10～0.15 mm，硬度增加20%～30%)，所以切削溫度的抑制被視為衡量低溫CO2射流切削效果的重要指標[7]。

如圖4所示，低溫CO2射流冷卻切削的最高切削溫度為142 ℃，僅為干切削的37.43%。低溫CO2和干冰混合物不僅通過吸熱有效降低了鈦合金切屑的溫度，同時也降低了鈦合金和氫、氧等氣體的化學反應速率。

(a)常溫切削

(b)低溫CO2射流圖4 低溫CO2和常溫條件下的切削溫度Fig.4 Cutting temperature in cryogenic CO2 and ambient temperature cutting coolant conditions

如表2所示，低溫CO2射流冷卻切削的主切削力均小于干切削的主切削力，平均減小了12%。通過試驗發現，強壓干冰混合物射流冷卻在抑制鈦合金氧化作用的同時，也阻止了硬脆表層的生成，最終有效減小了切削力。

表2 不同冷卻條件下的主切削力

3.2 切屑外形

鈦合金在干切削條件下出現嚴重的纏屑現象，低溫CO2射流冷卻切削則幾乎沒有纏屑，切屑形貌如圖5所示。在350～450 g/min低溫CO2冷卻條件下，480 mm切削行程內會出現纏屑現象(每80 mm行程大約出現兩三次)，切屑為螺旋形；加大CO2用量(550～650 g/min)后，切屑變成了帶狀且明顯縮短，不再出現纏屑現象。試驗表明，在低溫CO2射流沖擊的情況下，切屑硬直不易彎曲，且更容易被高速射出的干冰混合物吹斷。

(a)常溫切削

(b)350～450 g/mim低溫冷卻切削

(c)550～650 g/min低溫冷卻切削圖5 常溫切削和低溫CO2冷卻切削切屑Fig. 5 Chips of ambient temperature cutting and cryogenic CO2 cutting

不同的CO2用量會出現不同的切屑半徑，試驗中不同切削情況下的切屑半徑如表3所示。

表3 不同冷卻條件下的切屑半徑

通過表3可以看出，刀具在CO2用量降低的情況下，切屑曲率半徑減小。 CO2用量達到550～600 g/min后，斷屑更容易而且切屑半徑增大，切屑由螺旋形變成帶狀，如圖5c所示，因此該流量條件下的切削斷屑效果優于450 g/min的切削斷屑效果，但是加工成本也有所提高。

如圖6所示，低溫CO2冷卻切削條件下，切屑底部的連接已變得稀疏，切屑節與節之間更容易崩斷，鈦合金切屑表面較為光滑，絕熱剪切帶較平直，且鋸齒狀切屑的節狀較為凸突。低溫CO2冷卻下的切屑相較于常溫切削更加平直且易于折斷，其主要原因在于，鈦合金在強冷條件下，其切削區溫度遠低于常規切削，金屬在較低的溫度下保持一定的脆性，使剪切滑移更容易發生，從而使得切屑的鋸齒化程度加劇，最終導致切屑不易彎曲且容易折斷。

(a)常溫切削

(b)低溫CO2冷卻切削圖6 常溫切削和低溫CO2冷卻切削切屑Fig.6 Chips of ambient temperature cutting and cryogenic CO2 cutting

3.3 刀具磨損與表面粗糙度

鈦合金在切削過程中，常常會出現嚴重的前刀面機械磨損[9],刀尖附近的切削溫度達381 ℃，此時PCD刀具極易與鈦合金以及空氣中的氧起化合作用，從而加劇了刀具的磨損，如圖7a所示。

首先，高壓低溫的干冰與CO2氣體混合物能有效降低刀尖附近處的切削溫度。如圖4b所示，刀尖附近區域溫度僅為142.7 ℃。其次，大量由干冰升華而成的CO2氣體很好地將PCD刀具、工件表面與空氣隔絕。工件和刀具不再暴露于高溫空氣中，氧化過程受到抑制。較低的溫度同時也抑制了刀具與工件間的化學擴散磨損。低溫CO2射流冷卻車削磨損情況如圖7b所示，在切削鈦合金時，使用低溫CO2射流作為冷卻劑能較好地抑制刀具磨損，其效果優于常規切削方式。

(a)常溫車削

(b)低溫CO2射流冷卻車削圖7 不同冷卻方式下前刀面磨損Fig.7 Crater of tool in different coolant

如圖8所示，低溫CO2射流冷卻切削1040 mm后，刀具磨損依舊低于磨鈍標準，前刀面磨損僅僅為112.8 μm，而且沒有出現任何月牙洼磨損；一次干式車削就會出現明顯的月牙洼磨損，經過3次走刀(行程240 mm)后，月牙洼就可以超過225.0 μm。圖8直觀顯示，低溫CO2射流冷卻降溫對PCD刀具的高溫月牙洼磨損抑制有著極其明顯的效果。

圖8 不同冷卻條件下的刀具磨損值Fig.8 Value of tool crater in different coolant

如圖8所示，若采用大于450 g/min的流量(文獻[6-7]實驗中的標準用量)的液態CO2，刀具的磨鈍過程將被更為有效地抑制。圖8中，切削行程超過480 mm后，CO2流量達到550～600 g/min，此時刀具磨損值并未大幅增大，前刀面磨損僅僅從105.0 μm增加到112.8 μm，增長7.4%。這證明當CO2用量達到550 g/min時，刀具的磨鈍被很好地抑制。

如圖9所示，在240 mm切削行程條件下，低溫CO2冷卻切削的表面粗糙度要比干切削小0.83 μm，將近減小50%。切削行程為1040 mm時，粗糙度也僅僅是達到1.219 μm，可見低溫CO2混合物冷卻劑能較好地提高工件表面加工質量。

圖9 不同冷卻條件下的工件表面粗糙度Fig.9 Surface roughness of workpiece in different coolant

綜上所述，高速切削TC4時，PCD刀具仍以前刀面的月牙洼磨損為主，低溫CO2射流冷卻能有效降低切削溫度，進而較好地抑制刀具的氧化磨損，降低擴散磨損速度。刀具磨損被抑制后，加工表面質量也得到提升。

4 結論

(1)切削鈦合金時，使用低溫CO2冷卻劑后，刀具前刀面月牙洼磨損得到有效抑制。同時，低溫CO2射流冷卻能降低工件表面粗糙度(降了50%)并減小切削力，切屑不再出現纏繞和斷屑困難的現象。

(2)低溫CO2射流流量的大小會影響切屑變形和斷屑情況。液態CO2流量在550g/min以上時，雖然能夠有效抑制刀具磨損并避免切屑纏屑，但成本也相對較高。

(3)液態CO2較高的成本是制約大流量噴射應用的重要因素，最佳用量可以根據實際情況調節，比較經濟的用量為450～550 g/min。

[1] PUSAVE F, GOVERKAR E, KOPAC J. The Influence of Cryogenic Cooling on Process Stability in

Turning Operations[J]. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 2011,60(1)：101-104.

[2] AN Q L, FU Y C, XU J H, et al. The Application of Cryogenic Pneumatic Mist Jet Impinging in High-speed Milling of Ti-6Al-4V[J]. Key Engineering Materials, 2006, 315/316:244-248.

[3] INOUE S, AOYAMA T. Application of Air Cooling Technology and Minimum Quantity Lubrication to Relief Grinding of Cutting Tools[J]. Key Engineering Materials, 2004, 257/258:345-352.

[4] CAKIR O, KIYAK M, ALTAN E. Comparison of Gases Applications to Wet and Dry Cuttings in Turning[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2004, 153/154:35-41.

[5] de CHIFFRE L, ANDREASEN J L, LAGERBERG S, et al. Performance Testing of Cryogenic CO2as Cutting Fluid in Parting/grooving and Threading Austenitic Stainless Steel[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2007, 56(1):101-104.

[6] JEROLD D B, KUMAR P M. The Influence of Cryogenic Coolant in Machining of Ti-6AL-4V[J] Journal of Manufacturing Science and Engineering, 2013, 135(3):10.1115/1.4024058.

[7] HONG S Y, MARKUS I, JCONG W C. New Cooling Approach and Tool Life Improvement in Cryogenic Machining of Titanium Alloy Ti-6Al-4V[J]. International Journal of Machine Tool and Manufacture, 2001,41(15):2245-2260.

[8] 李新龍．基于低溫氮氣和微量潤滑技術的鈦合金高速銑削技術研究[D]. 南京：南京航空航天大學，2004. LI Xinlong. Study on the High Speed Milling of Titanium Alloy Based on cooled Gaseous Nitrogen and Minimal Quantities of Lubricant Technology[D]. Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2004.

[9] 安慶龍. 低溫噴霧射流冷卻技術及其在鈦合金機械加工中的應用[D]. 南京:南京航空航天大學，2006. AN Qinglong. Cryogenic Mist Jet Impinging Cooling and Its Application in Machining of Titanium Alloy [D]. Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2006.

(編輯 張 洋)

High Speed Cutting of TC4 Titanium Alloy under Cryogenic CO2Cooling Conditions

XIAO Hu LI Liang

College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing，210016

Rapid tool wear and poor chip breaking performance appeared on high speed cutting of TC4 alloy, while quality of the machined surfaces might not be guaranteed. By high-pressure liquid CO2supply system, TC4 titanium alloy was tested with high speed cutting processes under condition of CO2snow coolant. Cutting temperaturs, cutting force, tool wear, surface roughness and chip breakings of TC4 cutting were analyzed on high speed TC4 under enhanced cooling of cryogenic CO2. Difference between suppress CO2snow cooling condition and dry cutting condition were compared with multi-parameters. Experimental results show that cutting temperatures, cutting forces, chip breakings, tool wears and quality of the machined surfaces are improved by the suppress CO2snow coolant.

high speed cutting; TC4 titanium alloy; cryogenic CO2; enhanced cooling

2016-06-12

國家自然科學基金資助項目(51475234)

O327；TH113

10.3969/j.issn.1004-132X.2017.08.001