超低溫微量潤滑環境下切削參數對刀具壽命的影響研究

肖 強，李 堯，劉金寶，王衛敏

（中航工業洪都集團有限責任公司，江西 南昌 330000）

0 引言

近年來，隨著國家經濟轉向高質量發展，綠色清潔化加工越來越受到關注，傳統的切削液澆筑冷卻加工方式污染重，冷卻效果有限、廢液處理困難，受到越來越嚴格的限制。液氮冷卻加工、液態二氧化碳、超低溫風冷微量潤滑等加工方式由于對環境的污染小，對難加工材料提升機加工去除效率明顯，受到行業的關注并迅速發展，在裝備制造、航空制造領域開始嘗試，并獲得一定成效。超低溫風冷微量潤滑，由于使用成本低，對環境污染小，對刀具冷卻效果好，受到越來越多的重視。梁旭等[1]通過單因素實驗分發現超臨界二氧化碳與油膜附水滴混合冷卻方式銑削鈦合金（TC4），能提供良好的冷卻和潤滑性能，有效減小加工過程中的切削力，降低切削溫度，從而獲得良好的鈦合金表面加工質量。劉國棟和喬陽[2]發現低溫切削獲得表面硬度好，得到更大的殘余壓應力，改善表面完整性。肖虎等[3]研制出了液態二氧化碳冷卻系統，并用于DT4 純鐵材料，發現可以得到極高的表面加工質量，很適合精密薄壁車削。王西彬[4]研究了綠色切削加工的機理、關鍵技術、高速干切削的特點，低溫風冷卻切削，綠色刀具的表面摩擦學設計和切削幾何特性的設計技術。喬帆等[5]設計了超低溫切削的切屑形成試驗方案對比TC4 鈦合金和35CrMnSiA 低合金高強度鋼，發現超低溫條件可有效增強切屑的鋸齒化程度，有利于促進斷屑。國外，美國洛克希德馬丁公司和知名機床企業MAG 公司合作開發了基于液氮冷卻的鈦合金低溫加工工藝，用于F35 戰斗機制造，延長刀具壽命8 倍以上。

然而，液氮和液態二氧化碳冷卻成本高，難以大規模推廣，國內的一些企業制造出了低溫風冷微量潤滑設計，只需壓縮空氣，可實現超低溫風冷加工。本研究所利用珠海精芯科技有限公司的JX Neo i5 低溫風冷微量潤滑加工系統，通過實驗研究每齒給進量和切深分別對刀具壽命的影響，探索降低刀具損耗，提升加工效率的工藝。

1 實驗環境的搭建

實驗環境由三軸強力銑床、超低溫風冷微量潤滑系統、壓縮空氣氣源組成，通過低溫風冷系統產生的冷氣，通過保溫管路，沿三軸加工中心主軸輸送到加工點，進行低溫風冷加工，如圖1 所示。實驗材料采用Φ130 mm 和Φ160 mm 圓柱形的A100 鋼棒料。

圖1 實驗環境的現場

2 超低溫風冷微量潤滑加工實驗設計及環境參數的設置

2.1 超低溫風冷微量潤滑加工實驗設計

采用單一變量法實驗：切深選擇0.5、0.6、0.8、1 mm，進給量選擇1250、1755、2160 mm/min，選擇線速度90 m/min，進給量1250 mm/min，切寬21 mm，以0.5 mm為基準切深，對比常溫冷卻液和-60 ℃風冷加工。對比刀具壽命，在此基礎上，再嘗試0.8 mm、1 mm的切深，觀察刀具壽命。實驗除了要優化刀具壽命，還要考察單位時間的加工去除量。為了更好地反映刀具壽命和加工去除綜合效率，定義綜合加工功效=壽命×每分鐘去除量，實際加工過程中，刀具壽命和單位時間內的切削去除量都是要綜合考慮的要素。當生產不飽和時，追求刀具壽命的提升，總生產價值較高；另一方面，當生產任務重，需要趕生產進度時，可以適當犧牲刀具壽命，提升單位時間切削去除量。

2.2 實驗環境參數設置

采用A100（23Col4Ni12Cr3MoE）鋼作為加工對象，通過優化轉速、進給量、吃刀量、溫度四要素組合，探索提升A100 材料加工效率工藝參數。超低溫風冷微量潤滑加工的實驗設置的具體參數如下：超低溫風冷微量潤滑加工的實驗條件及切削參數如表1 所示。

表1 超低溫風冷微量潤滑加工的實驗條件及切削參數

3 實驗數據結果

3.1 實驗觀測結果

切削過程采用銑面，用粗加工切削參數把材料切除，在實驗過程中對比刀具磨損和加工效率，實驗的切削路徑首先是對棒料銑一個長方體的型腔，然后把型腔四周材料銑掉。實驗過程每隔15～30 min，把刀片取下，用影像儀觀察刀片磨損情況，直至一組刀片完全磨損，在實驗記錄單記錄下全過程。加工30 min 后刀具磨損情況如圖2 所示。

圖2 加工3 min 后不同切削參數改變刀具的磨損情況

3.2 實驗數據統計結果

刀具名稱編號為瓦爾特Φ32R0H140；F2330.Z32.032.Z03.01.5，刀片編號為P26335-R14WSP45S（3切削刃）。通過實驗得到切變量切深參數改變的數據記錄表如表2 所示，變量每齒進給量改變的數據記錄表如表3 所示。低溫風冷加工不同切削參數的實驗結果如表4 所示。

表2 變量切深參數記錄

表3 每齒進給量改變的數據記錄

表4 低溫風冷加工不同切削參數的實驗結果

4 實驗數據相關性分析

在轉速固定為900 r/min，切寬固定為21 mm 時，分析每齒給進量和切深分別對刀具壽命的影響，以及每齒給進量與切深對每分鐘除去量的影響。上述每二者之間的相關分析如表5 所示。

表5 相關分析

在轉速固定為900 r/min、切寬固定為21 mm 時，利用相關分析研究每齒給進量與刀具壽命、切深與刀具壽命之間的相關關系，使用Pearson 相關系數去表示相關關系的強弱情況。從表5 相關分析可知，刀具壽命和每齒給進量之間的相關系數值為-0.565，接近于0，并且p 值為0.243＞0.05，因而說明刀具壽命和每齒給進量之間并沒有相關關系。刀具壽命和切深之間的相關系數值為-0.815，并且呈現出0.05 水平的顯著性，因此說明刀具壽命和切深之間有著顯著的負相關關系。也就是說通過減少切深的數值，可以提升刀具壽命。

5 結論

1）在轉速固定為900 r/min、切寬固定為21 mm時，每齒給進量和刀具壽命之間并沒有相關關系，切深和刀具壽命之間有顯著的負相關關系。通過減少切深的數值，可以提升刀具壽命。

2）在轉速固定為900 r/min、切寬固定為21 mm時，每齒給進量與每分鐘去除量之間并沒有相關關系，切深和每分鐘去除量有顯著的正相關關系。通過增加切深的數值，可以提升每分鐘去除量。