□ 喬 帆 □ 任 斐 □ 劉 曉 □ 趙 威

1.上海航天設(shè)備制造總廠 上海 200245

2.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院 南京 210016

1 研究背景

隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，宇航及武器裝備產(chǎn)品的服役環(huán)境愈發(fā)惡劣，具有輕質(zhì)、高強(qiáng)和高韌等優(yōu)良性能的難加工材料及復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件得到廣泛使用。武器裝備中的擋塊零件材料為35CrMnSiA低合金高強(qiáng)度鋼，洛氏硬度（HRC）為34，加工后尺寸公差最大為0.027 mm，表面粗糙度Ra≤1.6 μm。飛船中的抱爪材料為T(mén)C4鈦合金，洛氏硬度（HRC）為30，加工后尺寸公差最大為0.012 mm，表面粗糙度Ra≤0.8 μm。轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)中的上支板材料為T(mén)B2鈦合金，洛氏硬度（HRC）為35，加工后尺寸公差最大為0.016 mm，表面粗糙度Ra≤0.8 μm。對(duì)于此類(lèi)零件的加工，超低溫切削技術(shù)因具有切削溫度極低、表面完整性佳、刀具壽命長(zhǎng)、綠色無(wú)污染等特點(diǎn)［1］，受到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。

超低溫加工采用刀具中心冷卻方式，將最低溫度可達(dá)-196℃的液氮及其氣液混合物輸送到距加工區(qū)域不到1 mm處。切削點(diǎn)低溫化，可以使工件材料局部冷脆，有利于強(qiáng)化切屑的剪切斷裂，并降低切削負(fù)荷［2-3］，使難加工材料更適宜切削。同時(shí)可以防止刀具自身的擴(kuò)散磨損、相變磨損和粘結(jié)磨損，有效延續(xù)刀具的使用壽命［4-5］。

當(dāng)前對(duì)于超低溫切削技術(shù)的研究主要集中于超低溫切削設(shè)備的研制開(kāi)發(fā)、超低溫加工機(jī)理研究及超低溫加工表面完整性提升等方面。在切削機(jī)理研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要通過(guò)絕熱剪切理論解釋在難加工材料加工中的切屑形成過(guò)程［6-7］，并以此分析超低溫環(huán)境對(duì)材料鋸齒形切屑形成的促進(jìn)作用［8-11］。筆者以TC4鈦合金和35CrMnSiA低合金高強(qiáng)度鋼材料為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)超低溫車(chē)削、銑削過(guò)程中的材料切屑進(jìn)行宏觀及微觀形貌分析，量化超低溫射流溫度對(duì)切屑鋸齒化程度的影響，對(duì)難加工材料超低溫切削及切屑形成機(jī)理展開(kāi)研究。

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

為有效分析液氮介質(zhì)對(duì)難加工材料在切削過(guò)程中鋸齒形切屑形成的影響，考慮連續(xù)切削與斷續(xù)切削方式，分別在車(chē)削和銑削加工中獲取切屑樣本，分析探討在液氮介質(zhì)冷卻潤(rùn)滑下的鈦合金、低合金高強(qiáng)度鋼材料的切屑形成特征。

車(chē)削試驗(yàn)機(jī)床采用國(guó)產(chǎn)C630車(chē)床，刀具選用KORLOY硬質(zhì)合金刀片。銑削試驗(yàn)機(jī)床采用國(guó)產(chǎn)TH5660A立式加工中心，刀具選用ISCAR四邊形可轉(zhuǎn)位硬質(zhì)合金刀片。車(chē)削方式采用正交切削，銑削方式采用單齒順銑。

工件材料為T(mén)C4鈦合金和35CrMnSiA低合金高強(qiáng)度鋼。純鈦在室溫下為具有密排六方結(jié)構(gòu)的α相，在溫度855℃以上轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂畜w心立方結(jié)構(gòu)的β相。鈦合金除金屬間化合物外，在低溫下可分為α合金、α+β合金和β合金，TC4鈦合金是一種典型的α+β兩相混合結(jié)構(gòu)的合金材料，其名義成分為90%鈦、6%鋁、4%釩。

使用VHX-500數(shù)碼顯微鏡觀測(cè)切屑的宏觀形貌及微觀組織。此外，為了研究在超低溫切削條件下不同射流溫度對(duì)切屑變形的影響，使用了自主研發(fā)的超低溫氣體射流冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)，這一系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)-196～-50℃低溫射流供給，構(gòu)建用于車(chē)削和銑削的超低溫切削系統(tǒng)。

2.2 試驗(yàn)參數(shù)

以工程實(shí)際切削參數(shù)為指導(dǎo)，結(jié)合試驗(yàn)所得經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定車(chē)削與銑削參數(shù)，分別見(jiàn)表1和表2。

表1 車(chē)削參數(shù)

表2 銑削參數(shù)

2.3 試驗(yàn)方法

對(duì)在不同切削參數(shù)和冷卻潤(rùn)滑條件下所產(chǎn)生的切屑進(jìn)行收集，使用環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行冷鑲嵌，通過(guò)砂紙和拋光機(jī)進(jìn)行研磨和拋光，然后將試樣放置于腐蝕液中腐蝕，再將制備好的切屑金相試樣放置在數(shù)碼顯微鏡下觀察切屑形貌及金相組織。

應(yīng)用Digimizer軟件測(cè)量切屑的幾何特征參數(shù)，鋸齒化程度和節(jié)塊間距測(cè)量分別如圖1、圖2所示。鋸齒化程度可以表征切屑的變形程度，關(guān)系式為：

式中：Gs為鋸齒化程度；H為切屑底部到切屑鋸齒頂峰的高度；h為切屑底部到切屑鋸齒低谷的高度。

通過(guò)測(cè)量切屑中相鄰兩鋸齒齒頂或齒根的距離，可以得到節(jié)塊間距Pc，進(jìn)而對(duì)超低溫切削的切屑形成機(jī)理展開(kāi)研究。

▲圖1 鋸齒化程度測(cè)量

▲圖2 節(jié)塊間距測(cè)量

3 切屑分析

基于車(chē)削試驗(yàn)和銑削試驗(yàn)，收集并制作了切屑樣本，對(duì)比在液氮冷卻與干切削條件下的切屑宏觀與微觀形貌，以此揭示液氮冷卻條件對(duì)鈦合金和低合金高強(qiáng)度鋼切屑形成的作用機(jī)理。

3.1 切屑宏觀形貌

3.1.1 TC4鈦合金

圖3所示為分別在20℃干切削、-120℃和-196℃低溫切削下收集的TC4鈦合金試樣切屑宏觀形貌。由圖3可以看出，在90 m/min切削速度條件下，室溫20℃時(shí)的切屑呈現(xiàn)C形屑，屑段連續(xù)且相對(duì)較完整。隨著射流溫度的降低，切屑的破碎狀況加劇，小屑段切屑比例增大。這一現(xiàn)象表明了TC4鈦合金材料具有低溫硬化和一定程度的脆化特性，即在液氮冷卻條件下有利于材料在切削時(shí)的切屑斷屑。在其余切削速度下，TC4鈦合金同樣具有類(lèi)似現(xiàn)象。

3.1.2 35CrMnSiA低合金高強(qiáng)度鋼

圖4所示為分別在20℃干切削、-120℃和-196℃低溫切削下收集的35CrMnSiA低合金高強(qiáng)度鋼試樣切屑宏觀形貌。由圖4可以看到與TC4鈦合金切屑類(lèi)似的現(xiàn)象，即隨著切削溫度的降低，連續(xù)切屑減少，小屑段切屑比例增大，表明35CrMnSiA低合金高強(qiáng)度鋼材料也具有低溫硬化和低溫脆化特性，液氮冷卻條件有利于促進(jìn)切屑斷屑。

3.2 切屑微觀形貌

3.2.1 TC4鈦合金

圖5所示為射流溫度對(duì)TC4鈦合金切屑變形的影響，可見(jiàn)無(wú)論是在干切削還是低溫切削條件下，切屑橫截面形貌均呈鋸齒形。在鋸齒形切屑節(jié)塊的連接處及主變形區(qū)均存在明顯的絕熱剪切帶，與周?chē)M織相比，剪切帶的晶粒明顯被拉長(zhǎng)而呈纖維狀。在切削過(guò)程中，剪切變形高度集中在一個(gè)相對(duì)狹小的區(qū)域內(nèi)，在變形過(guò)程中，由塑性功轉(zhuǎn)化的熱量引起材料局部溫升，導(dǎo)致材料熱軟化。當(dāng)熱軟化效應(yīng)占優(yōu)勢(shì)時(shí)，材料就會(huì)發(fā)生剪切失穩(wěn)，形成絕熱剪切帶。

▲圖3 TC4鈦合金切屑宏觀形貌

▲圖4 35CrMnSiA低合金高強(qiáng)度鋼切屑宏觀形貌

▲圖5 射流溫度對(duì)TC4鈦合金切屑變形的影響

圖6和圖7分別展示了射流溫度對(duì)TC4鈦合金切屑鋸齒化程度和節(jié)塊間距的影響規(guī)律。比較圖6和圖7可以看出，低溫切削時(shí)，射流溫度的降低會(huì)導(dǎo)致切屑鋸齒化程度和節(jié)塊間距明顯增大，這表明射流溫度越低，切屑底部鋸齒間的接觸長(zhǎng)度越小，越有利于切屑的分離。與干切削相比，在-196℃液氮冷卻條件下，切屑的鋸齒化程度和節(jié)塊間距的增幅分別為83.3%和141.2%，這是由于在低溫條件下，TC4鈦合金的韌脆性轉(zhuǎn)變過(guò)程使材料塑性逐漸降低，切屑分節(jié)內(nèi)變形較小，變形主要集中于剪切帶內(nèi)，切屑鋸齒化機(jī)理由熱塑性剪切失穩(wěn)逐漸過(guò)渡到韌脆斷裂失效，切屑呈鋸齒形程度越來(lái)越明顯。

3.2.2 35CrMnSiA低合金高強(qiáng)度鋼

在超低溫環(huán)境下，35CrMnSiA低合金高強(qiáng)度鋼切屑也呈現(xiàn)出類(lèi)似TC4鈦合金的變化趨勢(shì)。進(jìn)給量為 0.1 mm/r、切削深度為1.0 mm、切削速度為120 m/min時(shí)，不同冷卻溫度下所獲得的切屑鋸齒化程度如圖8所示。由圖8可以看出，低溫冷卻條件可以加大35CrMnSiA低合金高強(qiáng)度鋼的切屑鋸齒化程度，且隨著低溫冷卻溫度的降低，鋸齒化程度越來(lái)越顯著。

3.3 分析小結(jié)

通過(guò)對(duì)TC4鈦合金低溫切削試驗(yàn)，分析切削參數(shù)和冷卻條件對(duì)切屑變形的影響。射流溫度對(duì)TC4鈦合金的切屑變形有重要影響，對(duì)比干切削，發(fā)現(xiàn)在低溫切削時(shí)射流溫度越低，TC4鈦合金切屑的鋸齒化特征越明顯，尤其是在-196℃液氮冷卻條件下切削時(shí)，切屑的鋸齒化程度與節(jié)塊間距相對(duì)干切削分別增大了83.3%和141.2%，表明液氮冷卻明顯有利于材料切屑斷屑。

▲圖6 冷卻溫度對(duì)TC4鈦合金切屑鋸齒化程度的影響

▲圖7 冷卻溫度對(duì)TC4鈦合金切屑節(jié)塊間距的影響

▲圖8 35CrMnSiA低合金高強(qiáng)度鋼切屑鋸齒化程度

低溫切削TC4鈦合金，由于材料在主變形區(qū)發(fā)生剪切滑移，易形成絕熱剪切帶，且絕熱剪切帶的形成有利于切屑斷屑。

筆者通過(guò)對(duì)35CrMnSiA低合金高強(qiáng)度鋼低溫切削試驗(yàn)，分析了切削參數(shù)和冷卻條件對(duì)切屑鋸齒化的影響。射流溫度對(duì)35CrMnSiA低合金高強(qiáng)度鋼的切屑鋸齒化程度有重要影響，影響趨勢(shì)與TC4鈦合金類(lèi)似，且在切削時(shí)射流溫度越低，35CrMnSiA低合金高強(qiáng)度鋼切屑的鋸齒化特征越明顯，因此，液氮冷卻有利于切屑斷屑。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)對(duì)鋸齒形切屑形貌分析研究，證實(shí)了超低溫切削液氮冷卻條件有利于TC4鈦合金及35CrMnSiA低合金高強(qiáng)度鋼兩種典型難加工材料的切屑斷屑，對(duì)切削過(guò)程中材料切屑形成具有良好的促進(jìn)作用，改善了材料的加工性能。對(duì)難加工材料在切削過(guò)程中切屑成形機(jī)理的研究，屬于超低溫切削工藝研究的基礎(chǔ)問(wèn)題，可以提升航天領(lǐng)域中難加工材料零件的加工工藝水平，解決加工后表面質(zhì)量低和易變形的問(wèn)題，進(jìn)而為提高加工設(shè)備壽命提供新的技術(shù)途徑。