低温MQL技术在TA15铣削加工中的应用研究

康晓峰 翟 南 初宏震 王德生 单英吉

（中航工业沈阳飞机工业（集团）有限公司，辽宁沈阳 110850）

低温MQL（Minimal Quantity Lubrication）是将冷风射流机产成的－30～－50℃的低温气流与极微量的无公害切削油（10～20 mL）混合并雾化喷向切削点的切削方式，代替大量冷却液浇注进行切削的方法，被日本

人称为新世纪的切削法［1－3］。其加工示意图如图1所示。

低温MQL在低温空气冷却和微量润滑油润滑的双重作用下，可以有效地降低、控制切削点温度，有利于保持刀具的硬度并且不易产生积屑瘤，因此在加工难加工材料方面有良好效果，并且可以减小工件表面粗糙度值，是处理难加工材料的一种先进的切削工艺。日本明治大学横川和彦教授对此做了较为全面的实验研究［4－6］。

1 低温MQL技术

钛合金材料是一种难加工材料，加工中切削温度高、刀具磨损严重、加工表面质量难以保证、切削效率低、制造成本高等一直都是钛合金加工瓶颈问题［7－8］。国内外学者对钛合金加工都有研究，其中应用低温冷风切削方面也有相关研究。本文则应用低温MQL切削技术对钛合金进行铣削试验研究。

1.1 试验机床

试验研究所用数控设备如图2，设备相关参数如表1。

表1 试验机床设备参数

1.2 低温MQL设备

试验中低温MQL设备为重庆成田生产的CTL－50/3.0冷风机，如图3。设备相关参数如表2。

表2 低温MQL设备参数

1.3 被加工材料

被加工材料采用TA15钛合金材料，钛合金有以下特点:

（1）比强度高。其值一般为60～150 kg/mm2，而密度小，仅为4.5×103 kg/m3。

（2）机械性能好。热强度高，有些钛合金可在800℃高温下工作，另外，钛合金的断裂韧性也较高。

（3）抗腐蚀性好。对大气、海水及其蒸气以及一些酸、碱、盐介质有较高的抗腐蚀能力。

（4）工艺性差。由于钛的导热性差，摩擦系数大，使得钛合金的切削加工性很差。同时，钛合金在热加工中，易于吸收氢、氧、氮、碳等杂质，造成其强度增加，塑性和冲击韧性急剧降低，因而容易在压力加工中出现裂纹，甚至在加工后的存储中出现裂纹，而且，钛合金的塑性强度与断裂强度值相近，其塑性变形困难，也容易造成开裂。

（5）生产工艺复杂，成本高。

（6）抗磨性差。工件加工后一般需要表面强化。

2 低温MQL下切削的对比试验

在低温MQL的切削环境下，主要针对钛合金加工的刀具寿命、切削速度、工件被加工表面质量、工件变形等情况进行试验验证。

2.1 刀具寿命

对于刀具寿命的验证主要采用两种刀具进行。具体规格如下:

（1）刀具一:盘铣刀，直径 φ160 mmR4 mm，厚度14 mm，齿数10，刀具为机夹刀片形式，加工部位为对接槽，深度46 mm。

（2）刀具二:立铣刀，直径φ40 mmR0 mm，刃长40 mm，齿数4，刀具为镶齿焊接硬质合金立铣刀，加工部位为对接槽外形，切削深度最大30 mm。

盘铣刀在使用冷却液的条件下，每新装一次刀片，仅能加工1个工件，总体的加工路径长度约17 m，而低温MQL的切削条件下，则能够加工近2个工件，总体的加工路径长度约30 m;而对于φ40 mmR0 mm加工外形的刀具，在使用冷却液的条件下，每把刀具能够加工2个工件，加工的总时间约为2 h，而在低温MQL条件下，能够加工3个工件，加工的总体时间约为3 h，如表3。

表3 刀具寿命对比

表4 切削效率试验分析表

结果分析:低温MQL的切削条件下，对于盘铣刀及立铣刀刀具寿命提高的不同，是因为根据其加工部位的不同，实际的冷却效果有所不同造成的。盘铣刀加工时，工件的被加工部位每次去除的余量是相同的，在刀具加工的全过程中，刀具的冷却状态、切削状态相同，并且排屑流畅;而对于立铣刀，由于在加工外形过程中，局部部位为槽切、局部部位为侧切，其加工状态、冷却状态、排屑过程都有所变化，因此导致在此两种情况下，冷却对于刀具寿命的影响相差较大。

2.2 切削效率

切削效率试验采用两种刀具规格如下:

（1）立铣刀，直径φ50 mmR4 mm，刃长40 mm，齿数5，刀具为镶齿焊接硬质合金立铣刀，加工部位为工件上型面，切削深度平均10 mm。

（2）立铣刀，直径φ40 mmR0 mm，刃长40 mm，齿数4，刀具为镶齿焊接硬质合金立铣刀，加工部位为对接槽外形，切削深度最大30 mm。

对于切削效率验证的主要依据是在刀具的寿命基本不变的情况下，比较材料去除率，如表4。

加工过程中，φ50 mmR4 mm立铣刀主要加工工件的上型面，在加工过程中刀具的切削深度根据工件型面的变化逐渐变化，其范围为5～12 mm。在冷却液切削状态下，刀具寿命约为2.5 h，加工使用的切削参数为转速N=127 r/min，进给Fv=65 mm/min，切宽Ae=30 mm，去除材料总体积约为2 925 cm3。在相同切削宽度及深度状态下，使用低温MQL切削，其刀具寿命约为2.2 h，其加工参数为转速N=178 r/min，进给Fv=90 mm/min，切宽Ae=30 mm，去除材料总体积约为3 564 cm3。φ40 mmR0 mm立铣刀主要加工工件对接槽外形，在使用冷却液条件下，刀具寿命约为2 h，加工参数为转速N=158 r/min，进给Fv=65 mm/min，平均切宽Ae=12 mm，平均切深25 mm，去除材料总体积约为2 340 cm3。在低温MQL切削状态下，刀具寿命约1.9 h，加工参数为转速N=158 r/min，进给Fv=65 mm/min，平均切宽Ae=12 mm，平均切深25 mm，去除材料总体积约为3 213 cm3。试验证明采用MQL技术，切削效率都有明显提高，如表4，说明MQL技术具有明显的冷却效果和应用发展前景。

2.3 表面质量

工件加工的表面质量与很多因素有关，如工艺系统的刚性、刀具的刚性，主轴跳动、刀具跳动、刀柄跳动及刀具安装后的整体跳动，工件的装夹稳定性，每齿进给量等。当然，润滑冷却的效果对于工件加工的表面质量同样有影响，由于现场使用的设备已经老化，因此工件加工的表面质量必然受影响。

在实际加工工件过程中，针对多把刀具进行观察，经过对比分析，使用低温MQL进行冷却的工件加工后的表面质量较使用冷却液加工的工件表面质量要有明显提高。但是对于工件的加工表面未进行微观测量，因此无法进行数据比照，但是直观地目视结论是使用低温MQL加工的工件表面质量好。

2.4 工件变形

一般情况下，工件加工后都存在变形现象，无论是使用何种方式进行冷却及润滑，工件在不同程度上都有变形，不过，冷却及润滑对工件的变形有一定的影响。简单的说，对工件加工变形影响较大的因素有工件的内应力及加工过程中的切削热，工件的内应力是通过工序安排来避免的，而加工过程的切削热则受加工条件的影响。

经过对比分析，使用冷却液加工的工件在完成工件的整体切削后，工件直边的侧弯量在0.3～0.6 mm，而使用低温MQL加工后的工件，一是在加工过程中，工件的表面温度较低，基本上感觉不到热的状态，另外，加工后的工件侧弯量在0.2～0.4 mm，较使用冷却液加工的工件变形要小。

经过分析及对比可知，在低温MQL的切削状态下，工件加工的表面质量较好，变形较小，同时，加工使用的刀具切削寿命较长，在保持刀具的使用寿命前提下，可以提高刀具的切削速度，提高工件的加工效率。

3 低温MQL的局限性

虽然使用低温MQL的加工有优点，但是在实验中也发现，目前使用低温MQL同样存在局限性，具体表现在以下几个方面。

3.1 浅切削不适应性

对于浅切削不适应性主要体现在两个方面。

（1）如果切屑是连续的带状切屑，则刀具在切削过程中，带状切屑会缠绕在刀具的周围，而采用低温MQL进行切削的前提是喷嘴距离刀具不宜过远，一般较为合适的距离是2～3 cm。而带状切屑的缠绕将对冷却效果产生不良影响，导致切削区温度升高。

（2）在钛合金进行快进浅切的切削时，产生的切屑是较厚、较小的断屑，当切削的进给速度、切削速度较高时，产生的切削热较大一部分都在切屑中被带走;而在低温MQL条件的切削环境下，切屑会在瞬间被风吹走，但是切屑上的热量并不会很快消失，而当大量的切屑积累后，造成切屑温度较高，这对钛合金来说，较高的温度会导致切削燃烧，因此这种情况下，低温MQL的切削条件不合适。

3.2 加工过程中的污染

加工过程中的污染也体现在两个方面。

（1）在钛合金加工的过程中，如果切削量较大时，生产现场会产生较大的气味。目前因为测试条件有限，无法判断所产生的气味是钛合金加工受热后产生的味道，还是切削过程中微量润滑油产生的味道。

（2）使用低温MQL的机床操作者身上会产生白色粉尘，而其他操作者则无此现象，因为测试使用的机床不是全封闭机床，因此不知道此粉尘是否会造成人身伤害。

3.3 深腔加工的不适应

目前的工件加工的结构特征较为开敞，切削过程中喷嘴可以直接将低温冷风吹到刀具的切削刃部位，因此其冷却效果较好;但是，如果加工的部位有较深的槽腔，则冷却的效果将降低。故如何解决深腔特征的加工，是需要研究的一个方向。

3.4 后续的改进

综上所述，低温MQL虽然对于切削速度的提高及刀具耐用度的提高有一定的效果，但是其加工过程受一定限制，具有局限性，如欲扩大其应用范围，则应在以下方面进行改进:

（1）解决其加工过程对环境的影响;

（2）通过特殊的方式解决深腔结构的加工;

（3）解决浅切造成冷却不充分的问题。

4 结语

经过上述研究分析表明:在低温MQL状态下，TA15钛合金加工的优点和局限性如下。

（1）优点:使用的刀具切削寿命更长，工件加工的切削效率更高，加工工件的表面质量更好，工件加工后变形更小。

（2）局限性:采用低温MQL加工钛合金材料，当前还有如下相关问题有待解决:如何改进不适应浅切加工，加工中产生附加产物对环境和人员的影响评估，如何改善针对深腔结构的加工冷却不充分等问题。

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