秦長江，胡自化，袁彪，湯愛民，羅勝，楊志平

（1.湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105；2.株洲鉆石切削刀具股份有限公司，湖南 株洲 412007）

鈦合金因具有抗沖擊性好、耐腐蝕性能優(yōu)良及高溫和低溫穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在汽車、航空、和航海等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-3]。但鈦合金同時(shí)具有導(dǎo)熱系數(shù)小、高溫化學(xué)活性高以及彈性模量低等特性，屬典型難加工材料。在切削過程中，刀具切削溫度高，工件和刀具材料在高溫下容易發(fā)生粘結(jié)，導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重，耐用度降低，進(jìn)一步影響鈦合金已加工表面質(zhì)量，從而制約加工零件的使役性能[4-6]。硬質(zhì)合金刀具有硬度高、耐磨性好和成本低等優(yōu)點(diǎn)，已成為加工鈦合金的主流刀具[7]。為降低刀具切削溫度，減緩刀具磨損，提高硬質(zhì)合金刀具加工TC4鈦合金的表面質(zhì)量，國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量的研究。Venugopal等[8]在干切和低溫條件下進(jìn)行了硬質(zhì)合金刀具切削 TC4鈦合金的對比試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：低溫條件下加工鈦合金的表面缺陷及表面粗糙度顯著減小。Jerold等[9]開展了低溫液氮與低溫 CO2冷卻方式對 TC4鈦合金切削性能的影響研究，結(jié)果表明，與低溫液氮冷卻相比，采用低溫 CO2冷卻方式加工TC4鈦合金，表面粗糙度最大程度上降低了 48%。Shokrani等[10]在-197 ℃液氮、常溫干切和常溫水冷的條件下進(jìn)行了硬質(zhì)合金刀具切削Ti6Al4V合金的對比試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，-197 ℃低溫液氮冷卻加工與常溫干切、使用冷卻液加工相比，工件已加工表面粗糙度分別降低了 39%和 31%。趙威等[11]以氮?dú)夂涂諝庥挽F作為切削介質(zhì)，在干切條件下進(jìn)行了硬質(zhì)合金刀具切削Ti-6Al-4V鈦合金的對比試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，與空氣油霧介質(zhì)和干切削條件加工鈦合金時(shí)的表面粗糙度相比，氮?dú)庥挽F介質(zhì)下加工鈦合金的表面粗糙度顯著降低。蘇宇等[12]在低溫冷風(fēng)、低溫最小微量潤滑和干切條件下進(jìn)行了硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金的對比試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：低溫微量潤滑可減小工件已加工表面粗糙度，提高工件加工表面質(zhì)量。

綜上所述，通過使用不同的冷卻方式，可在一定程度上有效地降低硬質(zhì)合金刀具切削 TC4鈦合金的已加工表面粗糙度，提高了零件表面質(zhì)量。目前硬質(zhì)合金刀具主要采用磨削加工，容易產(chǎn)生表面磨削燒傷、熱變形和表面/亞表面損傷等缺陷[13-14]，導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金時(shí)，刀具磨損加劇而過早破損，并進(jìn)一步影響到 TC4鈦合金的加工表面質(zhì)量。為此，本文首先采用化學(xué)機(jī)械拋光技術(shù)對經(jīng)過磨削加工的普通硬質(zhì)合金刀片前刀面進(jìn)行多工序的拋光預(yù)處理。然后運(yùn)用正交試驗(yàn)法，在常溫干切和-50 ℃低溫冷風(fēng)條件下，分別采用磨削刀片和拋光刀片進(jìn)行切削TC4鈦合金試驗(yàn)，分析切削參數(shù)對TC4鈦合金已加工表面粗糙度Ra的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 拋光實(shí)驗(yàn)方案

拋光對象為傳統(tǒng)磨削的 YG8硬質(zhì)合金車削刀片，刀片的型號為 WNXA080404，無斷屑槽，刀片實(shí)物、化學(xué)成分及材料特性分別見圖1和表1。

在智能型 Nanopoli-100型拋光機(jī)上進(jìn)行硬質(zhì)合金刀片拋光實(shí)驗(yàn)，拋光工藝參數(shù)選用筆者課題組前期研究[15-16]所得到的硬質(zhì)合金刀片最佳化學(xué)機(jī)械拋光工藝參數(shù)，見表2。拋光液中的氧化劑為H2O2，磨削硬質(zhì)合金刀片經(jīng)粗拋、半精拋及精拋工序加工后，先在超聲波清洗機(jī)中用無水乙醇清洗15 min，然后在去離子水中清洗15 min，再用熱風(fēng)吹干，并采用基恩士VHX-500FE超景深顯微鏡對其表面形貌進(jìn)行觀測。

1.2 切削實(shí)驗(yàn)方案

工件材料為 TC4鈦合金棒材，工件直徑為138 mm，長度為400 mm。TC4的化學(xué)成分和力學(xué)性能見表3、表4[17-18]。

硬質(zhì)合金刀片切削 TC4鈦合金實(shí)驗(yàn)所采用的加工機(jī)床為CK7525數(shù)控車床，切削刀具為磨削刀片和拋光刀片。刀桿選用株洲鉆石切削刀具股份有限公司生產(chǎn)的 MWLNL2525M08型刀桿，刀片安裝在刀桿上，其主偏角為 95°，前角為-5°40′，后角為 5°40′。選用 HK-25A1200型冷風(fēng)射流機(jī)為低溫冷風(fēng)發(fā)生裝置。本實(shí)驗(yàn)所選取的冷風(fēng)參數(shù)：溫度為-50 ℃，氣壓為0.35 MPa。切削方式為常溫干切與-50 ℃低溫冷風(fēng)條件下的外圓車削。加工完成后，采用 TR200便捷式表面粗糙度測量儀測量 TC4鈦合金的已加工表面粗糙度。

表1 刀片材料化學(xué)成分及特性Tab.1 Chemical composition and material characteristics of insert

表2 化學(xué)機(jī)械拋光工藝參數(shù)組合Tab.2 Combinations of chemical mechanical polishing process parameters

表3 TC4的化學(xué)成分Tab.3 Chemical composition of TC4 wt.%

表4 TC4的物理和力學(xué)性能Tab.4 Physical and mechanical properties of TC4

為綜合對比分析切削參數(shù)和冷卻方式對 TC4鈦合金已加工表面粗糙度的影響，運(yùn)用正交試驗(yàn)法，在常溫干切和-50 ℃低溫冷風(fēng)條件下，分別采用磨削刀片與拋光刀片進(jìn)行切削 TC4鈦合金試驗(yàn)。根據(jù)前期多次試切，設(shè)計(jì)了三因素四水平L16(43)的正交試驗(yàn)，見表5。

表5 已加工表面粗糙度正交試驗(yàn)方案Tab.5 Orthogonal experimental scheme of machined surface roughness

2 結(jié)果和討論

2.1 硬質(zhì)合金刀片表面粗糙度對比分析

硬質(zhì)合金刀片經(jīng)過磨削后，前刀面表面粗糙度Ra的平均值為87 nm。采用表面粗糙度測量儀分別對粗拋、半精拋和精拋處理后的10片硬質(zhì)合金刀片前刀面進(jìn)行測量，并對其取平均值。經(jīng)過粗拋后，硬質(zhì)合金刀片前刀面表面粗糙度Ra的平均值為73 nm；半精拋后，硬質(zhì)合金刀片前刀面表面粗糙度Ra的平均值為58 nm；精拋后，硬質(zhì)合金刀片前刀面表面粗糙度Ra的平均值為19 nm，相較磨削硬質(zhì)合金刀片，降低了 78.16%。由此可見，經(jīng)過多工序的化學(xué)機(jī)械拋光后，可顯著降低硬質(zhì)合金刀片前刀面的表面粗糙度，有效提高刀片的表面質(zhì)量。

2.2 硬質(zhì)合金刀片表面形貌對比分析

為進(jìn)一步對比分析磨削刀片和拋光刀片的表面形貌，利用超景深顯微鏡，在50倍和500倍下觀測磨削刀片和精拋后的硬質(zhì)合金刀片前刀面表面形貌，如圖2—圖5所示，并獲得刀片前刀面區(qū)域的三維形貌，如圖6和圖7所示。

由圖2、4、6可知，在磨削刀片前刀面上存在較多的磨粒劃痕，且有些磨粒劃痕較深，此外，刀片前刀面的平面度較差。由圖3、5、7可知，經(jīng)過粗拋、半精拋和精拋后，刀片表面幾乎沒有磨粒劃痕，且刀片表面的平面度較好，可見硬質(zhì)合金刀片前刀面的表面質(zhì)量得到了有效改善。

2.3 TC4鈦合金已加工表面粗糙度

2.3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表5中的切削參數(shù)，在常溫干切和-50 ℃冷風(fēng)條件下，分別采用磨削刀片和拋光刀片進(jìn)行切削TC4鈦合金試驗(yàn)，切削長度為 50 mm。利用 TR200便捷式表面粗糙度測量儀測量 TC4鈦合金已加工表面粗糙度3次，然后取其平均值，結(jié)果見表6。根據(jù)表6中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對比磨削刀片和拋光刀片在不同條件下切削TC4鈦合金的已加工表面粗糙度，如圖8所示。

由圖8可知，當(dāng)切削參數(shù)相同時(shí)，采用磨削刀片，在-50 ℃冷風(fēng)條件下切削 TC4鈦合金的已加工表面粗糙度，比常溫干切條件下平均降低35.9%；采用拋光刀片，在-50 ℃冷風(fēng)條件下切削 TC4鈦合金的已加工表面粗糙度，比常溫干切條件下平均降低43.5%。由此可見，在-50 ℃低溫冷風(fēng)條件下切削TC4鈦合金可有效降低已加工表面粗糙度。當(dāng)切削參數(shù)相同時(shí)，在常溫干切條件下，拋光刀片比磨削刀片切削TC4鈦合金的已加工表面粗糙度平均降低19.2%；在-50 ℃冷風(fēng)條件下，拋光刀片比磨削刀片切削 TC4鈦合金的已加工表面粗糙度平均降低28.7%。

由此可見，硬質(zhì)合金刀片經(jīng)化學(xué)機(jī)械拋光后，去除了前刀面的磨削劃痕和變質(zhì)層，提高了刀片表面質(zhì)量，減小了刀-屑間的摩擦系數(shù)，促進(jìn)了切屑的流動，減緩了刀片的磨損，從而有效降低了工件已加工表面粗糙度。此外，拋光刀片在-50 ℃冷風(fēng)條件下切削TC4鈦合金的已加工表面粗糙度，比磨削刀片在常溫干切條件下切削 TC4鈦合金的已加工表面粗糙度平均降低54.4%?？梢姡瑢τ操|(zhì)合金刀片表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光和以-50 ℃冷風(fēng)為切削介質(zhì)的組合工藝，可有效降低TC4鈦合金已加工表面粗糙度。

表6 在常溫干切和-50 ℃冷風(fēng)條件下加工TC4鈦合金表面粗糙度的平均值Tab.6 Average value of surface roughness Ra of TC4 titanium alloy machined under the condition of dry cutting at room temperature and cooling air at -50 ℃

2.3.2 切削參數(shù)對已加工表面粗糙度的影響

根據(jù)表6中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用方差分析法分析各切削參數(shù)對磨削刀片、拋光刀片在常溫干切和-50 ℃冷風(fēng)條件下加工TC4鈦合金表面粗糙度Ra的影響，如圖9所示。

由圖9a可知，利用磨削刀片在常溫干切條件下切削TC4鈦合金時(shí)，各切削參數(shù)對TC4鈦合金的已加工表面粗糙度Ra的影響為：進(jìn)給量的影響高度顯著，切削速度和切削深度的影響不顯著。由圖9b可知，利用拋光刀片在常溫干切條件下切削 TC4鈦合金時(shí)，各切削參數(shù)對 TC4鈦合金已加工表面粗糙度Ra的影響為：進(jìn)給量的影響高度顯著，切削速度的影響顯著，切削深度的影響不顯著。由圖9c和圖9d可知，利用磨削刀片、拋光刀片在-50 ℃冷風(fēng)條件下切削TC4鈦合金時(shí)，各切削參數(shù)對TC4鈦合金已加工表面粗糙度Ra的影響均為：進(jìn)給量的影響顯著，切削速度和切削深度的影響不顯著。此外，由圖9各方差分析中的F值大小可以得出，各切削參數(shù)對磨削刀片、拋光刀片在常溫干切和-50 ℃冷風(fēng)條件下切削TC4鈦合金的已加工表面粗糙度Ra的影響程度大小的順序均為：進(jìn)給量影響最大，其次為切削速度vc，切削深度ap的影響最小。

2.3.3 表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕?/p>

為了獲得磨削刀片和拋光刀片在常溫干切削與-50 ℃冷風(fēng)條件下切削 TC4鈦合金已加工表面粗糙度的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測模型，基于MATLAB對采集的表面粗糙度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸分析。已加工表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)預(yù)測模型的原型為[19]：

式中：Kt是經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷南嚓P(guān)系數(shù)；a為切削深度ap所對應(yīng)的指數(shù)；b為切削速度vc所對應(yīng)的指數(shù)；c為進(jìn)給量f的所對應(yīng)的指數(shù)。

將表6中磨削刀片、拋光刀片切削TC4鈦合金的已加工表面粗糙度數(shù)據(jù)導(dǎo)入 MATLAB，并進(jìn)行多元線性回歸分析，計(jì)算出 TC4鈦合金的已加工表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)預(yù)測模型，如式(2)—式(5)所示。

磨削刀片在常溫干切條件下切削 TC4鈦合金的已加工表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)預(yù)測模型為：

拋光刀片在常溫干切條件下切削 TC4鈦合金的已加工表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)預(yù)測模型為：

磨削刀片在-50 ℃冷風(fēng)條件下切削 TC4鈦合金的已加工表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)預(yù)測模型為：

拋光刀片在-50 ℃冷風(fēng)條件下切削 TC4鈦合金的已加工表面粗糙度經(jīng)驗(yàn)預(yù)測模型為：

經(jīng)對比分析可知，四種經(jīng)驗(yàn)預(yù)測模型的判定系數(shù)R2均大于0.8，說明這四個(gè)回歸方程（經(jīng)驗(yàn)預(yù)測模型）的擬合優(yōu)度較好。進(jìn)一步地采用統(tǒng)計(jì)量F值對經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷娘@著性進(jìn)行檢驗(yàn)，將顯著性水平α設(shè)為0.05，查閱相關(guān)F值可知，F(xiàn)0.05(3,12)=3.49。四種預(yù)測模型的F值均大于3.49，表明這四個(gè)回歸方程（經(jīng)驗(yàn)預(yù)測模型）十分顯著。此外，由經(jīng)驗(yàn)預(yù)測模型式(2)—式(5)中切削參數(shù)所對應(yīng)的指數(shù)也可得到：在常溫干切和-50 ℃低溫冷風(fēng)條件下，進(jìn)給量f對磨削刀片和拋光刀片切削TC4鈦合金已加工表面粗糙度Ra的影響最大，其次為切削速度vc，切削深度ap的影響最小。

3 結(jié)論

1）傳統(tǒng)磨削的硬質(zhì)合金刀片前刀面經(jīng)粗拋、半精拋和精拋后，可獲得前刀面的表面粗糙度Ra為19 nm。采用對硬質(zhì)合金刀片表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光和以-50 ℃冷風(fēng)為切削介質(zhì)的組合工藝，可有效改善TC4鈦合金的加工表面粗糙度。

2）在常溫干切和-50 ℃冷風(fēng)條件下，進(jìn)給量f對磨削刀片和拋光刀片切削 TC4鈦合金的已加工表面粗糙度Ra的影響最大，其次為切削速度vc，切削深度ap的影響最小。