高科技發(fā)展的今天，環(huán)保越來越受到人們的重視，基于技術(shù)、經(jīng)濟、生態(tài)三方面的平衡發(fā)展，綠色制造已經(jīng)是當(dāng)今談?wù)摰闹黝}。在機械制造領(lǐng)域，切削液是最大的污染源，特別是在航空工業(yè)中，為了提高航空零部件的加工質(zhì)量，經(jīng)常使用大量切削液。為了實現(xiàn)綠色制造，人們往往將目光投向干切削，但是干切削條件下零部件的機械性能、加工效率以及刀具壽命會受到很大的影響。在此提出用氮氣為切削介質(zhì)的綠色加工技術(shù)，并對該技術(shù)進行了探索研究。本文主要比較分析了干切削和以氮氣為介質(zhì)的兩種切削條件下，銑削鈦合金時的后刀面磨損以及銑削力的情況。

1 鈦合金的材料特性

由于鈦合金具有比強度高、熱強度好、耐蝕性高、資源豐富等一系列優(yōu)點，因此在航空、航天等工業(yè)部門中的應(yīng)用越來越廣泛，用于制作航空發(fā)動機中的主要構(gòu)件，在飛行器結(jié)構(gòu)中，用于制造翼梁、隔框和接頭等重要構(gòu)件�；�于鈦合金廣泛的應(yīng)用，主要優(yōu)點如下：

·比強度高：鈦合金的密度只有4.5g/cm3，比鐵小得多，而其強度與普通碳鋼相近。
·熱強度好：鈦合金熔點為1660℃，比鐵高，具有較高的熱強度，可在550℃以下工作，同時在低溫下顯示出較好的韌性。
·抗蝕性好：在550℃以下鈦合金表面易形成致密的氧化膜，故不容易被進一步氧化，對大氣、海水、蒸汽以及一些酸、堿、軟介質(zhì)均有較高的抗蝕能力。

另一方面鈦合金的切削加工性比較差。主要原因如下：

·導(dǎo)熱性差，致使切削溫度很高，降低了對刀具的耐用度。
600℃以上溫度時，表面形成氧化硬層，刀具有強烈的磨損作用。
·塑性低，硬度高，使剪切角度增大，切屑與前刀面接觸長度很小，前刀面上的應(yīng)力很大，刀刃易發(fā)生破損。
·彈性模量低，彈性變形大，接近后刀面處工件表面回彈性大，所以加工表面與后刀面的接觸面積大，磨損嚴重。
·鈦合金切削過程中的這些特點使其加工變得十分困難，導(dǎo)致加工效率低，刀具消耗大。

2 刀具材料的選擇

鈦合金的銑削比車削困難，主要的問題是切削刃區(qū)容易與鈦發(fā)生粘接，刀齒易崩刃，刀具耐用度低。銑刀切削刃區(qū)域粘接的鈦合金量與切削的厚度成正比，當(dāng)?shù)洱X再次切入工件表面時，粘接的鈦合金剝落，從而使刀具出現(xiàn)磨損區(qū)。隨著粘結(jié)量的增大，磨損區(qū)也增大；嚴重時，甚至?xí)�使切削刃崩落，損壞銑刀。銑削鈦合金的立銑刀、圓柱銑刀、三面刃銑刀等一般用高速鋼制成，成形銑刀更是如此。常用的刀具材料為：HSS-Co， 其主要成分為W2Mo9Cr4VCo8；HSS-Al， 其主要成分為W6Mo5Cr4V2Al：以及Carbide，其主要成分分別為YG8，YG10H，Y300等。

3 試驗方案

以鈦合金材料TC4(Ti-6Al-4V)為主要研究對象，試驗方案如下：

·通過正交試驗，比較在干切削條件和以氮氣為介質(zhì)的切削條件下銑削力的變化情況。銑削方式選擇為順銑。具體切削參數(shù)及參數(shù)值如表1所示。

表1 銑削力的正交切削試驗參數(shù)

·在干切削條件下和以氮氣為介質(zhì)的切削條件下，分析銑刀后刀面的磨損情況，以后刀面的磨損量0. 2mm 為判斷標準。參數(shù)取值如表2所示。

表2 磨損試驗參數(shù)

以上試驗用機床為Mikron UCP 710五坐標加工中心。銑削力利用Kistler三向測力儀測量，銑刀后刀面磨損量在顯微鏡下進行觀測測量。

4 銑削力及其結(jié)果分析

銑削示意圖如圖1所示。根據(jù)在氮氣切削介質(zhì)下和干切削條件下的銑削力數(shù)據(jù)，建立如圖2 所示的對比圖。

圖1 銑削示意圖 圖2 銑削力對比圖

圖2中銑削力為X、Y、Z 3 個方向最大力的合成。銑削力的試驗結(jié)果分析如下：

·從圖2可以看出，在干切削和以氮氣為介質(zhì)兩種切削條件下，隨切削條件的變化，銑刀后刀面磨損量在顯微鏡下進行觀測測力的變化趨勢基本相同。

·在第1 組試驗中，氮氣介質(zhì)下的銑削力要小于干切削條件下的銑削力，而后15 組試驗中，氮氣介質(zhì)下的銑削力比干切削條件下銑削力平均大100牛頓左右。

·初步分析，產(chǎn)生上述結(jié)果的原因是在切削過程中氮氣和鈦生成了硬化層。氮氣介質(zhì)下剛開始切削時，即第1 組試驗中，還沒有硬化層生成，此時由于氮氣的冷卻潤滑作用，切削力偏小；從第2 組試驗開始，已經(jīng)有硬化層生成，之后試驗中雖然仍有氮氣的冷卻潤滑作用，但硬化層對銑削力的影響更明顯，所以氮氣介質(zhì)下的銑削力要大于干切削條件下的銑削力。

·氮氣介質(zhì)切削條件下，氮氣氣壓對測力儀的沖擊也是切削力增大的一個因素。經(jīng)測量，氮氣的氣壓力僅有5牛頓左右，可見，氮氣氣壓的沖擊力并不是導(dǎo)致氮氣介質(zhì)下銑削力增大的主要因素。

5 銑刀后刀面磨損及其結(jié)果分析

根據(jù)在氮氣介質(zhì)和干切削條件下的試驗數(shù)據(jù)建立如圖3至圖8所示的磨損曲線圖。

圖3 干銑削條件下后刀面的磨損曲線 圖4 氮氣介質(zhì)條件下后刀面磨捐損曲線

圖5 30m/min磨損曲線比較 圖6 40m/min 磨損曲線比較

圖7 50/min磨損曲線比較 圖8 60m/min磨損曲線比較

試驗結(jié)果分析：

·通過對圖3、圖4 的分析可得出，切削速度是影響銑刀后刀面磨損的至關(guān)重要的因素，在上述兩種切削介質(zhì)的條件下，當(dāng)切削速度增加到2倍時，其刀具壽命將各自會減小到4%左右，同時銑削的長度也急劇減少。

·根據(jù)圖5至圖8分析可知，在同樣的切削條件下，以氮氣為切削介質(zhì)條件下的銑削長度遠遠超過了在干切削條件下的銑削長度。

·初步分析認為，氮氣介質(zhì)下能使刀具壽命延長的原因是其有效的冷卻潤滑作用使切削區(qū)溫度降低，減小了刀具與工件之間的摩擦，其具體的作用機理有待進一步深入研究。同時，因為在氮氣介質(zhì)下切削區(qū)域沒有氧氣，加工表面有更高的表面完整性。

6 結(jié)論

·氮氣介質(zhì)切削條件下銑削鈦合金與干切削條件下銑削鈦合金相比，銑削力有增大趨勢。

·氮氣作為切削介質(zhì)切削條件下，與干切削相比，刀具壽命有很大提高。

·氮氣介質(zhì)下生成的硬化層使切削力增大，并對刀具磨損有一定影響(磨料磨損)，但是氮氣的冷卻潤滑作用大大降低了切削區(qū)溫度，減小了加工表面和后刀面之間的摩擦，所以刀具壽命仍有很大提高。

·很高的氮氣壓能將切屑吹離切削區(qū)域，減小切屑對工件表面質(zhì)量的影響。

氮氣的價格低廉，加工成本低。用氮氣作為切削介質(zhì)可以消除因大量使用切削液給環(huán)境造成的污染，達到真正意義上的綠色制造。以氮氣為切削介質(zhì)的綠色高速加工技術(shù)，在航空領(lǐng)域、高速加工領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，特別是在難加工材料的切削加工中會起著更為重要的作用。