纳米磁性冷却液在Ti6Al4V高速铣削中的传热特性研究*

□ 陈宇晓 □ 王灵玲

宁波职业技术学院机械系 浙江宁波 315800

随着经济的发展，普通材料已不能满足需要，新型材料层出不穷，以Ti6Al4V为代表的含钛合金就是其中之一，它的综合机械性能非常出色，在石化、汽车、军工等领域，是制造发动机部分零部件的理想材料，具有广阔的应用前景，已成为钛合金行业的主力牌号。但是其切削加工工艺性比较差，切削温度比较高，切削力比较大，导热系数相当小 （只相当于1Cr18Ni9Ti的一半），比45钢更要小很多。切削时产生的热不易传出，集中在刀尖及主副切削刃周围的较小区域内。钛合金在切削时，容易和刀具材料在高温下发生扩散、黏结和化学反应，对切削过程非常不利，容易损坏刀具。

切削液是一种常用的钛合金高速铣削冷却方法，主要有水溶液、乳化液、切削油、通用切削液等。苏宇、田佳、韩荣第等［1-3］把常规切削液采用一般施加方式与特殊施加方式 （如加压缩空气滴喷或用水蒸气及氮气作为辅助冷却介质等），在钛合金高速铣削中进行比较研究，同干切相比这些冷却方法有一定的效果。赵威等［4］研究了钛合金在水溶液冷却状态下的摩擦学特性；姜 峰［5］研究了不同冷却润滑条件下Ti6Al4V的高速加工机理。 国外学者 Nouari M 和Giniing A［6］等在干切、湿切、液氮冷却的不同环境下，研究用未涂层刀具切削Ti6Al4V。

虽然进行了大量的工作，但上述冷却方法还是存在切削力波动大、刀具的温度梯度大、热应力高等不足之处。纳米材料科学的发展给强化传热领域带来了新的机遇，目前在国内，王学军［7］等系统研究了润滑油中Fe3O4纳米粒子的添加量对钛合金冷挤压成形的最大成形力、成形功、表面质量（Ra）及硬度（HV）的影响规律，并对其润滑机理进行了分析,结果表明，当润滑油中Fe3O4纳米粒子质量分数为8%时,纳米改性润滑油的润滑效果最佳,挤压成形力和成形功最小,成形件表面质量最好。顾雪婷、张羽翔等［8-9］学者分析了纳米流体强化冷却的机理，进行了一系列实验，说明了加入纳米材料对流体物理性能的影响，以及不同纳米材料对流体导热、对流及幅射性能的影响，最终结果发现加入纳米材料能改善冷却效果。

在钛合金Ti6Al4V高速铣削过程中，目前未见添加Fe3O4纳米磁粉材料制成纳米磁性冷却液以及进行热传导方面研究的文献报道。本文为提高钛合金Ti6Al4V的切削效率和切削质量，以一定比例在普通冷却液中添加Fe3O4纳米磁粉材料，形成一类新的传热冷却、润滑介质,并对这一类介质的传热特性进行研究。

1 铣削温度的变化

试验条件：选用山特维克公司的可转位铣刀,配硬质合金刀片。铣削速度v取100 m/min、120 m/min、140 m/min、160 m/min 四档；切削宽度 ae=20 mm，进给速度fz=0.1 mm/齿；切削深度ap=0.5 mm。工件材料为钛合金Ti6Al4V板材，冷却液采用Blaser2000通用切削液及添加质量分数为8%的Fe3O4纳米磁性液体冷却液，控制流量8 ml/s。

根据刘鹏等［10］学者的研究，普通冷却条件下铣削钛合金时，铣削温度θ可近似表达为：

根据式（1）可得，在普通冷却条件下不同铣削速度的铣削温度分别为 488℃、527℃、562℃、595℃。

现用实验验证，试验条件同上，铣削温度采用夹丝热电偶法［11］测试，具体采用康铜丝与钛合金组成热电偶。两个钛合金工件把康铜丝及绝缘层夹在中间，然后用夹具夹紧，加工时工件变形破坏绝缘层，产生热点形成热电偶，测试方案如图1所示，图2为两种冷却条件下不同铣削速度时的铣削温度变化。

▲图1 铣削温度测试方案

▲图2 不同冷却条件下的铣削温度

▲图3 Ti6A14V在不同温度下的辐射率

▲图4 不同冷却条件下的HTC估值

从实验结果发现，普通冷却条件下铣削钛合金时，铣削温度与经验公式（1）吻合较好。采用添加Fe3O4的纳米磁性液体冷却液时，铣削温度有所降低。

2 试件热对流系数HTC的变化

在热对流研究中，考虑热幅射的影响，可以用热对流系数HTC（Heat Transfer Coefficient）评估冷却液与被加工表面之间的换热能力［5，12］，HTC值越大则冷却液与被加工表面之间的换热能力越强。先用红外温度计测量试件表面温度T，其测量依据为斯忒藩-玻耳兹曼定律：

式中：σ 为黑体辐射常数，σ=5.67×10-8，W/（m2·K4）；Eb为黑体单位面积产生的幅射能量，W/m2。

当物体为非黑体时，其单位面积产生的幅射能量E为：

式中：ζ是非黑体的辐射率，其值随温度而变化。

Ti6Al4V的辐射率见图3［13］。将试件在电炉中加热至800℃，出炉后测其温差，由式（3）可知辐射传热量：

式中：A为试件除隔热面外的总表面积。

对流传热量：

式中：h为热对流系数HTC的估值；ΔT为测量时间间隔点的温差。

总的传热量：

式中：ρ为试件的密度；V为试件的体积；c为试件的比热容。

将式（4）、式（5）、式（6）代入式（7）得：

这样就可以求得两种冷却润滑方式下，不同温度的热对流系数HTC的估值。

实验结果如图4所示。

从实验结果发现，采用添加Fe3O4的纳米磁性液体冷却液时，HTC有所提高，即纳米磁性冷却液增强了冷却效果。

3 刀柄热流量的变化

由 Bowden 和 Tabor公式［15］，得 t1-t2的计算式：

式中：μs为刀具与工件的摩擦因数；H为较软的材料硬度；L为作用在接触面上的力；v为切削速度；λA、λB为刀具与工件材料的热导率。

热导率与作用在接触面上的力在文献 ［16-17］中已有表述，较软的材料硬度即钛合金的硬度，其值为359 HV［18］，刀具与工件的摩擦因数取 0.37［5］, 根据不同的铣削速度：100 m/min、120 m/min、140 m/min、160 m/min，即可计算出内外壁温差。再用红外测温仪测出内外壁温差（实验结果如图5所示）。

从实验结果发现，在不同铣削速度下刀柄内外壁的实际温差要小于计算值，这可能与使用了冷却液有

可以把刀具通过刀柄的导热过程简化为单层圆筒壁的稳定导热，设想在半径为r处以两个等温面为界划分出一层厚度为dr、长度为l、热导率为λ的薄壁圆筒，根据傅里叶定律［14］，单位时间内传递的热流量Φ为：

分离变量后得：

▲图5 不同铣削速度下的刀柄内外壁温差

根据内外壁半径分别为r1和r2、内外壁温度分别为t1和t2的边界条件，解此微分方程，可得单位时间、单位长度内传递的热流量Φl：关。因K为常数，从式（12）可知，刀柄热流量与内外壁的温差成正比，所以不同铣削速度下刀柄热流量的实际值要小于计算值。但采用普通冷却液与采用添加Fe3O4的纳米磁性冷却液比较，刀柄内外壁的实际温差无变化。由此说明，采用添加Fe3O4的纳米磁性液体冷却液后，单位时间单位长度内传递的热流量没有变化。

4 结论

（1）采用添加Fe3O4的纳米磁性液体冷却液时，铣削温度有所降低。

（2）采用添加Fe3O4的纳米磁性液体冷却液时，试件的HTC有所提高，即纳米磁性液体冷却液增强了冷却效果。

（3）添加Fe3O4的纳米磁性液体冷却液与普通冷却液相比，刀柄单位时间单位长度内传递的热流量没有变化。

［1］ 苏宇，何宁，李亮，等．低温氮气射流对钛合金高速铣削加工性能的影响［J］．中国机械工程,2006,17 （11）:1183-1187.

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