微量潤滑在GH4169高溫合金車削加工中的應(yīng)用

王進(jìn)同 陶 亮

（1.貴州博信機(jī)械制造有限公司，貴州 安順 561116；2.貴州理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽 550003）

0 引言

GH4169高溫合金具有良好的高溫強(qiáng)度、塑性以及抗疲勞性能，被廣泛用于航空發(fā)動機(jī)零部件的設(shè)計制造[1-4]。當(dāng)前，切削加工仍是該類零件的主要制造方式。然而，GH4169高溫合金在切削加工中存在刀具磨損嚴(yán)重、切削溫度過高等問題。為解決上述問題，工人在切削加工過程中會使用大量的切削液，但這種方式會對環(huán)境和工人健康帶來危害。微量潤滑（MQL）技術(shù)的出現(xiàn)有助于改善GH4169高溫合金的可加工性。MQL技術(shù)能夠使極少量的潤滑油與空氣混合形成氣溶膠，通過噴嘴以高壓、高速的方式向切削區(qū)噴射氣霧狀潤滑油[5]。這種潤滑方式能夠較好地改善切削區(qū)的潤滑效果，且具備環(huán)境友好的優(yōu)點(diǎn)。因此，將MQL引入GH4169高溫合金的切削加工中，是提升該類零件加工質(zhì)量的有效方法。

高奇等開展了單晶鎳基高溫合金DD98的微量潤滑微銑削試驗[6]。相比于干切削，在MQL條件下的工件表面質(zhì)量獲得了較大提升，MQL技術(shù)形成的潤滑油霧能夠有效地在刀/屑接觸區(qū)產(chǎn)生潤滑油膜，改善潤滑條件，進(jìn)而減小刀/屑之間的摩擦力和摩擦熱。高巍等將微量潤滑與低溫冷風(fēng)結(jié)合，開展了30CrMnSi結(jié)構(gòu)鋼的銑削試驗[7]。他們分析了冷卻參數(shù)和切削用量對工件表面粗糙度的影響規(guī)律，確定了最優(yōu)工藝參數(shù)；工件局部粗糙度值由Ra3.2降低至Ra0.44，顯著提升了工件的表面質(zhì)量。Patole等對合金鋼AISI 4340進(jìn)行了微量潤滑車削試驗[8]，研究了切削條件和納米冷卻液對表面粗糙度的影響；利用曲線擬合技術(shù)建立了表面粗糙度理論模型，該模型能夠較精確地預(yù)測MQL切削完成后的工件表面粗糙度。劉大維等研究了干切削、澆注潤滑以及微量潤滑三種不同條件下車削45號鋼過程中的切削溫度變化規(guī)律[9]。他們發(fā)現(xiàn)在較低切削速度范圍，MQL的內(nèi)冷卻效果優(yōu)于澆注潤滑，但在中速和高速范圍內(nèi)效果則相反。Luka等研究了切削速度、液態(tài)二氧化碳冷卻、MQL對鉻鉬鋼鉆削過程中切削溫度的影響[10]。實(shí)驗表明，MQL在較低的切削速度下能有效降低切削溫度，液態(tài)二氧化碳冷卻具有最強(qiáng)的冷卻能力。

為提高GH4169高溫合金的可加工性，本文引入微量潤滑（MQL）技術(shù)開展該材料的車削加工試驗。以表面粗糙度和切削溫度為性能指標(biāo)，分析干切削和MQL切削條件下工藝參數(shù)對已加工表面粗糙度和切削溫度的影響規(guī)律。本文的研究方法對于提升GH4169高溫合金產(chǎn)品質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)綠色切削具有積極的作用。

1 試驗條件

1.1 車削試驗平臺

圖1為搭建的MQL車削和測試平臺。車削試驗在沈陽第一機(jī)床廠CA6140普通臥式車床上進(jìn)行。工件為GH4169高溫合金棒料，試件尺寸為φ40×120。刀片材料為硬質(zhì)合金，型號為TNMG160408，刀桿型號為MTJNR。微量潤滑采用深圳三艾流體技術(shù)ZL-M型MQL系統(tǒng)，切削過程中使用單噴頭對工件進(jìn)行噴霧冷卻。MQL潤滑油為太陽工業(yè)M-106微量噴霧式加工油。工件表面質(zhì)量檢測采用北京吉泰TR200型粗糙度測試儀完成。采用上海飛礎(chǔ)科智慧科技FOTRIC220s手持式紅外測溫儀測量切削溫度。

圖1 車削試驗平臺

1.2 試驗方案

采用單因素試驗法研究干切削和MQL切削兩種條件下獲得的工件表面質(zhì)量和切削溫度。切削過程中采用的工件轉(zhuǎn)速為100～400 r/min、進(jìn)給量為0.1～0.3 mm/r、背吃刀量為0.1～0.3 mm。詳細(xì)的試驗方案如表1所示。

表1 切削試驗方案

2 結(jié)果與討論

2.1 切削用量對表面粗糙度的影響

2.1.1 轉(zhuǎn)速對表面粗糙度的影響

圖2為不同轉(zhuǎn)速（進(jìn)給量0.2 mm/r、背吃刀量0.3 mm）時獲得的粗糙度值。

圖2 不同轉(zhuǎn)速對粗糙度的影響

由圖2可知，隨著轉(zhuǎn)速的提高，兩種切削條件下獲得的粗糙度值均明顯減小；MQL切削獲得的粗糙度值明顯小于干切削對應(yīng)值。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因為：轉(zhuǎn)速的增加使切削厚度相對減小，同時切削熱的生成速度高于散熱速度，增強(qiáng)了工件的軟化效應(yīng)，使切屑能更容易地脫離工件基體，刀具磨損和振動均降低，并在一定程度上抑制了積屑瘤的產(chǎn)生，故工件表面更加光滑[6，11]。MQL潤滑將霧狀潤滑油以較高速度和壓力噴向刀/屑接觸區(qū)，顯著改善了該區(qū)域的潤滑情況，減輕了兩者之間的摩擦效應(yīng)。此外，高速噴向切削區(qū)的潤滑氣霧還能促進(jìn)切屑的排出。上述影響因素導(dǎo)致MQL切削完成后工件已加工表面的粗糙度值低于干切削。

2.1.2 進(jìn)給量對表面粗糙度的影響

圖3為不同進(jìn)給量（轉(zhuǎn)速400 r/min、背吃刀量0.2 mm）時獲得的粗糙度值。

從圖3可以發(fā)現(xiàn)，一方面粗糙度值隨著進(jìn)給量的增加而變大，另一方面MQL切削獲得的粗糙度值明顯低于干切削。進(jìn)給量增加會導(dǎo)致切削厚度增加，使切屑排出更為困難，切削過程中振顫現(xiàn)象也更為劇烈[6，12]。MQL切削時，刀/屑接觸區(qū)的潤滑條件明顯改善，降低了切削熱的產(chǎn)生，同時抑制了切屑在刀具上的粘結(jié)，保證了較好的表面質(zhì)量[13-14]。

2.1.3 背吃刀量對表面粗糙度的影響

圖4為不同背吃刀量（轉(zhuǎn)速250 r/min、進(jìn)給量0.1 mm/r）時獲得的粗糙度值。

圖4 不同背吃刀量對粗糙度的影響

背吃刀量增加后，粗糙度值相應(yīng)增加。此外，MQL切削獲得的表面質(zhì)量也優(yōu)于干切削。背吃刀量的增加會使切削面積變大，加劇刀具和工件之間的相互擠壓和摩擦現(xiàn)象，導(dǎo)致切削抗力增大，進(jìn)而降低了表面質(zhì)量[6，13]。MQL提高了潤滑介質(zhì)滲入到刀/屑接觸區(qū)的能力，顯著降低了工件的表面粗糙度值。

2.2 切削用量對切削溫度的影響

圖5顯示了各組試驗號對應(yīng)的瞬時切削溫度分布云圖。

圖5 瞬時最高切削溫度分布云圖

由圖5可知，兩種切削方式中，高溫區(qū)均集中在刀尖附近區(qū)域，這與切削過程中刀/屑接觸區(qū)的劇烈摩擦、相互擠壓現(xiàn)象有關(guān)。此外，該區(qū)域相對較弱的散熱條件進(jìn)一步促進(jìn)了溫度的增加。為量化分析不同切削方式對切削溫度的影響規(guī)律，提取了最高溫度值進(jìn)行比較。

2.2.1 轉(zhuǎn)速對切削溫度的影響

圖6為進(jìn)給量0.2 mm/r、背吃刀量0.3 mm時，不同轉(zhuǎn)速條件下獲得的最高切削溫度值。

圖6 不同轉(zhuǎn)速對切削溫度的影響

隨著轉(zhuǎn)速的增加，兩種切削方式下的切削溫度均明顯上升。工件轉(zhuǎn)速的增加使切削過程中的切削功率和摩擦熱急劇增加，故而切削溫度也快速上升。此外，從圖6中還可以看出，與干切削相比，MQL切削能夠有效降低切削溫度。在切削過程中，MQL產(chǎn)生的霧狀潤滑油可快速帶走部分切削熱，顯著提升了散熱效率。

2.2.2 進(jìn)給量對切削溫度的影響

圖7為轉(zhuǎn)速400 r/min、背吃刀量0.2 mm時，不同進(jìn)給量條件下獲得的最高切削溫度值。

圖7 不同進(jìn)給量對切削溫度的影響

兩種潤滑條件下，進(jìn)給量增大時均產(chǎn)生了更高的切削溫度。進(jìn)給量的增加會使切削變形增加，進(jìn)而產(chǎn)生更多的切削熱，產(chǎn)生生熱效應(yīng)。然而，進(jìn)給量的增加又會導(dǎo)致刀/屑接觸面積增加，改善散熱條件，產(chǎn)生散熱效應(yīng)。這兩種效應(yīng)對于切削溫度的影響起著相反的作用。在切削過程中，生熱效應(yīng)強(qiáng)于散熱效應(yīng)，故而切削溫度呈增長趨勢。與工件轉(zhuǎn)速的影響類似，MQL切削時切削溫度相對于干切削也明顯下降。

2.2.3 背吃刀量對切削溫度的影響

圖8為不同背吃刀量（轉(zhuǎn)速250 r/min、進(jìn)給量0.1 mm/r）時獲得的最高切削溫度值。

圖8 不同背吃刀量對切削溫度的影響

干切削和MQL切削條件下的切削溫度均隨著背吃刀量的增加而增加。在切削過程中，背吃刀量的增加雖然使切削功率和切削熱增加，但同時增大了切削寬度，提高了散熱效率。與進(jìn)給量的影響相似，切削過程中生熱效應(yīng)仍然強(qiáng)于散熱效應(yīng)，故而導(dǎo)致切削溫度的上升。從圖8中還可看出，MQL潤滑條件下，切削溫度低于干切削條件下的相應(yīng)值。

3 結(jié)論

本文采用干切削和MQL切削方式開展了GH4169高溫合金的車削加工，對比分析了兩種切削方式對工件表面粗糙度和切削溫度的影響。具體結(jié)論如下：

（1）兩種切削條件下獲得的表面粗糙度隨切削用量的變化規(guī)律相似。粗糙度值均隨轉(zhuǎn)速的增加而降低，隨進(jìn)給量的增加而增大，隨背吃刀量的增加而增大。

（2）兩種切削條件下獲得的切削溫度隨切削用量的變化規(guī)律相似。隨著工件轉(zhuǎn)速、進(jìn)給量以及背吃刀量的增加，切削溫度均呈上升趨勢。

（3）MQL切削獲得的工件表面粗糙度值和最高切削溫度值均低于在相同切削參數(shù)下通過干切削獲得的對應(yīng)值。