鈦合金因高比強(qiáng)度(強(qiáng)度/密度比高達(dá)22~26MPa·cm3·g?1)、強(qiáng)耐蝕性、良好的耐高溫低溫性能(使用溫度范圍-253℃~600℃)等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵構(gòu)件、飛機(jī)結(jié)構(gòu)件以及石油測(cè)井裝備等高端制造領(lǐng)域，已成為極端服役環(huán)境下不可替代的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)材料[1-3]。但鈦合金具有低彈性模量(約為113GPa)和低熱導(dǎo)率(約為7.5W m?1·K?1)的特性，導(dǎo)致其在常規(guī)切削加工中存在切削熱積聚嚴(yán)重，切削區(qū)域溫度可達(dá)1000℃，加工表面易產(chǎn)生微觀裂紋、塑性變形加劇等質(zhì)量問題[46];同時(shí)，切削過程中熱一力耦合作用會(huì)加劇刀具與加工表面的摩擦磨損，使表面粗糙度增大、微觀組織塑性變形程度加重，從而直接影響工件的服役性能與使用壽命[7-8]。

為改善難加工材料的切削性能并提升加工表面質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞冷卻介質(zhì)與切削參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量的影響開展了系統(tǒng)研究[9-11]。在TC4鈦合金微量潤(rùn)滑銑削研究中發(fā)現(xiàn)，與干切削相比，微量潤(rùn)滑可使表面粗糙度降低10%[12]。在液氮冷卻條件下切削鎂合金和Inconel718鎳基合金的結(jié)果表明，相較于切削液冷卻，液氮冷卻(-196℃)不僅使表層晶粒發(fā)生細(xì)化，還能減少表面微觀缺陷，使兩種材料的表面粗糙度分別降低17%和2.27%[13-14]。而采用液態(tài)二氧化碳冷卻(-79.5℃)、澆注式冷卻與微量潤(rùn)滑等不同條件切削鎳鉻合金時(shí)，表面粗糙度分別降低42%~47%、24%~27%和16%~21%[15]。此外，與常規(guī)切削相比，使用低溫冷風(fēng)(-27℃)微量潤(rùn)滑切削TC6鈦合金時(shí)，可顯著減少表面缺陷，表面粗糙度降低19%[16]。同時(shí)，切削參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量也有一定的影響，在TC4鈦合金車削試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，進(jìn)給量對(duì)表面質(zhì)量的影響最為顯著，表面粗糙度與表層微觀組織塑性變形程度均隨進(jìn)給量增大而加劇[17]。而高速銑削TC4鈦合金時(shí)，隨著切削速度的增大，切削溫度不斷升高，在熱一力耦合作用下工件表層微觀組織的塑性變形深度增大[18]。同樣在高速銑削TC17鈦合金的研究中也發(fā)現(xiàn)，加工后材料表層微觀組織出現(xiàn)晶體破碎與彎折現(xiàn)象，塑性變形層厚度約為10μm[19]。

然而，綜合國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn):一方面，現(xiàn)有液氮冷卻切削研究多集中于α+β型鈦合金(如TC4、TC6)，針對(duì)高強(qiáng)度β型TC18鈦合金在液氮超低溫冷卻條件下的系統(tǒng)研究仍較為缺乏;另一方面，現(xiàn)有研究對(duì)表面完整性的表征多局限于表面粗糙度單一指標(biāo)，對(duì)于亞表層微觀組織變形深度的關(guān)聯(lián)分析尚不充分。為此，本文以力學(xué)性能優(yōu)異但熱導(dǎo)性更差的TC18鈦合金為研究對(duì)象，采用單因素切削試驗(yàn)，系統(tǒng)研究液氮冷卻條件下切削參數(shù)對(duì)TC18鈦合金加工表面完整性的影響規(guī)律。通過對(duì)比液氮冷卻與乳化液冷卻兩種工況下的加工效果差異，闡明液氮冷卻在降低表面粗糙度、減少表面微觀缺陷及調(diào)控表層微觀組織方面的工藝優(yōu)勢(shì)與作用機(jī)制，彌補(bǔ)液氮冷卻技術(shù)在β型鈦合金加工領(lǐng)域的應(yīng)用研究空白。研究結(jié)果為TC18鈦合金的液氮冷卻輔助切削從幾何精度控制向表層組織性能主動(dòng)調(diào)控的深化提供工藝優(yōu)化依據(jù)。

1、液氮冷卻車削試驗(yàn)方案

加工及溫度調(diào)試現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。TC18鈦合金試件為?45 mm×275 mm棒料，其主要元素成分和物理性能分別見表1和表2[20]。在通風(fēng)良好的實(shí)驗(yàn)室中，采用液氮冷卻系統(tǒng)，在CW6163B臥式車床上以0.16MPa的壓力向工件加工區(qū)持續(xù)噴射氣化液氮，流量為3L·min?1，通過低溫測(cè)控儀和液氮壓力閥調(diào)控射流溫度約-196℃，液氮噴嘴距刀具切削刃約5cm。采用WNMG080404-HL硬質(zhì)合金涂層(AlTiN復(fù)合涂層)刀具，其槽型為HL，刀尖半徑為0.4mm,前角為負(fù)值，后角為0°。通過單因素試驗(yàn)法逐次對(duì)鈦合金試件進(jìn)行外圓車削，每段切削長(zhǎng)度為10mm，為建立液氮冷卻與乳化液冷卻兩種工況的對(duì)比基準(zhǔn)，在乳化液冷卻條件下開展3組與液氮冷卻切削參數(shù)相同的對(duì)比試驗(yàn)，選用DRK-5011半合成切削液作為冷卻潤(rùn)滑介質(zhì)。試驗(yàn)方案見表3，切削參數(shù)的選擇基于機(jī)床能力與工件尺寸，采用半精加工參數(shù)進(jìn)行加工。

試驗(yàn)結(jié)束后，采用HYBRID+激光顯微鏡對(duì)各組加工表面進(jìn)行微觀形貌分析，在每條車削帶中部沿軸線方向等間距選取3個(gè)點(diǎn)測(cè)量表面粗糙度，取平均值作為該加工參數(shù)下的表面粗糙度值。為開展試件表面微觀組織特性分析，將每組加工表面沿橫截面切割為10mm×10mm×5mm的樣塊,依次進(jìn)行鑲嵌、研磨、拋光和腐蝕(2%HF、4%HNO?、94%蒸餾水)處理，采用奧斯微M230-3M180金相顯微鏡分析樣件加工表層至基體的微觀晶粒組織及塑性變形層深度。

表1 TC18鈦合金主要元素成分(wt%)

表2 TC18鈦合金主要物理性能

表3 試驗(yàn)方案

2、試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 液氮冷卻條件下切削參數(shù)對(duì)二維表面粗糙度的影響

材料表面粗糙度直接影響工件的裝配精度、疲勞特性、耐磨性及耐腐蝕性等使用性能，鈦合金材料在切削過程中，其表層微觀組織的塑性變形會(huì)顯著影響表面粗糙度，進(jìn)而對(duì)加工質(zhì)量和使用壽命產(chǎn)生重要影響。表面粗糙度包含二維表面粗糙度和三維表面粗糙度。其中，二維表面粗糙度Ra是表面輪廓算術(shù)平均偏差，即線粗糙度;三維形貌粗糙度Sa、Sq是表面輪廓高度算術(shù)平均偏差和均方根高度，即面粗糙度。相較于線粗糙度Ra僅反映沿單一取樣方向的輪廓特征，面粗糙度Sa可表征加工表面區(qū)域整體的三維微觀形貌特征，對(duì)加工表面質(zhì)量的表征更為準(zhǔn)確和全面[21]。

圖2展示了不同切削參數(shù)下的二維表面粗糙度Ra。總體而言，在相同切削參數(shù)下，與乳化液冷卻切削相比，液氮冷卻切削在改善TC18鈦合金加工表面質(zhì)量方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。從冷卻機(jī)制角度分析，乳化液冷卻主要依靠對(duì)流換熱降低切削區(qū)溫度，其冷卻效率受限于液體的膜態(tài)沸騰效應(yīng);而液氮冷卻(-196℃)利用超低溫介質(zhì)的強(qiáng)制對(duì)流與相變換熱，不僅冷卻強(qiáng)度遠(yuǎn)高于乳化液，還能使切削區(qū)材料產(chǎn)生顯著的低溫脆化效應(yīng)，從根本上改變材料在切削過程中的熱力學(xué)響應(yīng)行為。具體而言，在切削速度、進(jìn)給量和切削深度3個(gè)參數(shù)條件下，液氮冷卻使二維表面粗糙度Ra分別平均降低了20.25%、11.51%和23.18%。分析表明，在液氮冷卻條件下，各參數(shù)對(duì)二維表面粗糙度Ra影響的主次順序?yàn)檫M(jìn)給量>切削速度>切削深度。

從圖2所示變化趨勢(shì)分析，二維表面粗糙度隨切削速度增大而減小，隨進(jìn)給量和切削深度增大而增大，其中進(jìn)給量是影響二維表面粗糙度最顯著的幾何因素。這一現(xiàn)象可歸因于:液氮的強(qiáng)冷卻作用能有效降低材料加工表面的塑性變形程度，使材料的塑性降低，即工件表層材料塑性流動(dòng)程度減小，從而降低已加工二維表面粗糙度。同時(shí)，切削速度增大有利于提高切削區(qū)材料的應(yīng)變率，在低溫條件下進(jìn)一步增強(qiáng)材料的脆性斷裂傾向，使切屑更易于以脆性斷裂方式剝離，減少黏附與撕裂對(duì)表面質(zhì)量的不利影響。因此，在較高切削速度下，液氮的冷卻效果更為明顯，有利于獲得更優(yōu)的表面質(zhì)量。

2.2 液氮冷卻條件對(duì)表面微觀形貌的影響

冷卻條件及切削參數(shù)對(duì)已加工表面微觀形貌的影響如圖3所示，左側(cè)為二維形貌圖，右側(cè)為三維形貌圖。三維形貌圖中不同顏色代表不同的殘留高度值，殘留值越高且占比越大，表明表面三維形貌越差，紅色區(qū)域表示殘留高度較高(波峰)，藍(lán)色區(qū)域則表示較低(波谷)。對(duì)比圖3a和圖3b可知，液氮冷卻切削能夠有效減少二維形貌中的黏屑與劃痕等表面缺陷。其主要原因在于:一方面，液氮的超低溫特性顯著降低了切削區(qū)域產(chǎn)生的切削熱，使剪切滑移剝離區(qū)域的表層材料迅速冷脆，加快了切屑分離，改善了切屑與刀具前刀面的黏附狀態(tài)，減小了刀具磨損，從而抑制了劃痕、黏屑等表面缺陷的產(chǎn)生;另一方面，鈦合金導(dǎo)熱性較差，乳化液冷卻切削時(shí)加工區(qū)域刀具與工件的熱一力耦合作用較強(qiáng)，不僅導(dǎo)致表層材料發(fā)生熱軟化(塑性變形)，還加速了刀具磨損，最終使表面缺陷不斷增加[22-24]。此外，乳化液冷卻條件下，冷卻液在高溫切削區(qū)的滲透能力有限，難以有效進(jìn)入刀一屑界面的緊密接觸區(qū)，冷卻與潤(rùn)滑效果受限;而液氮以射流形式噴射，氣化后的氮?dú)饪蓾B透至切削區(qū)的微細(xì)間隙，形成更均勻的低溫環(huán)境，對(duì)減少黏屑和劃痕更為有效。

與乳化液冷卻切削相比，液氮冷卻切削下的表面三維形貌整體起伏幅度較小，面粗糙度Sa降低了38.77%，表征表面整體起伏程度的均方根粗糙度Sq降低了50.33%，這是因?yàn)橐旱鋮s切削能夠減小刀具對(duì)工件的摩擦作用，抑制表面組織的塑性流動(dòng)，改善加工表面的犁溝效應(yīng)，從而獲得更優(yōu)的表面微觀形貌。從表面完整性對(duì)服役性能的影響角度，表面形貌的改善直接關(guān)系到工件的疲勞性能:較低的Sa值和較小的表面起伏幅意味著應(yīng)力集中系數(shù)降低，這對(duì)于承受交變載荷的TC18鈦合金結(jié)構(gòu)件至關(guān)重要。

對(duì)比圖3b~圖3d可知，當(dāng)進(jìn)給量從0.15mm·r?1增大至0.2mm·r?1時(shí)，表面三維形貌起伏明顯加劇，表征波峰和波谷的紅藍(lán)區(qū)域較為顯著，三維表面粗糙度Sa從0.308μm增大至0.407μm(增幅為32.47%)，Sq從0.378μm增大至0.598μm(增幅為58.2%)。這是因?yàn)檫M(jìn)給量直接影響微觀形貌的塑性變形，其增大會(huì)使切削間距增大，導(dǎo)致加工表面整體起伏程度上升，同時(shí)進(jìn)給量增大會(huì)引起切削力上升，在熱一力耦合作用下更易誘發(fā)材料的塑性流動(dòng)，從而形成更顯著的波峰與波谷。

當(dāng)切削深度從0.6mm增大至0.8mm時(shí)，表面三維形貌的整體起伏程度相對(duì)緩和，紅藍(lán)區(qū)域雖有增加但不顯著，三維表面粗糙度Sa從0.308μm增大至0.348μm(增幅為13%)，Sq從0.378μm增大至0.434μm(增幅為14.82%)，表明切削深度變化對(duì)三維表面粗糙度的影響程度小于進(jìn)給量。這是由于切削深度增大主要影響切削力和切削熱，對(duì)加工表面的微觀形貌影響較小。

綜上所述，相較于乳化液冷卻切削，液氮冷卻可顯著減小表面缺陷與表面微觀形貌的變形程度，并在切削速度v=19.1m·min?1、f=0.15mm·r?1、ap=0.6mm時(shí)，可獲得更優(yōu)的三維表面粗糙度，各參數(shù)對(duì)表面三維形貌影響依次是進(jìn)給量>切削深度，這與二維表面粗糙度Ra的變化趨勢(shì)一致，表明進(jìn)給量是影響表面微觀形貌的首要因素。

2.3 液氮冷卻條件下切削參數(shù)對(duì)表層微觀組織的影響

2.3.1 切削速度對(duì)表層微觀組織變化的影響

圖4所示為在固定進(jìn)給量(f=0.15mm·r?1)與切削深度(ap=0.6mm)條件下,不同切削速度(10.6m·min?1、14.1m·min?1、19.1m·min?1)對(duì)應(yīng)的液氮冷卻切削試件表層微觀組織特征。通過對(duì)比變形層與未變形基體的組織分界，可確定塑性變形層深度δ。判斷準(zhǔn)則主要依據(jù)以下微觀組織特征變化:靠近加工表面的材料組織沿切削方向發(fā)生明顯的晶粒扭曲、拉長(zhǎng)等塑性變形形貌，與保持完整、均勻等軸晶組織的基體形成鮮明對(duì)比，二者之間的界面即為塑性變形層的邊界。

分析結(jié)果表明，在切削速度為10.6m·min?1時(shí)，塑性變形層深度δ最大，約為9.3μm;當(dāng)切削速度提高至14.1m·min?1和19.1m·min?1時(shí)，δ分別為8.5μm和8.2μm，降低幅度分別為8.6%和11.8%，整體變化范圍在9μm以內(nèi)，在切削速度為19.1m·min?1時(shí)可獲得較小的塑性變形層深度。這表明在液氮冷卻條件下，僅改變切削速度對(duì)塑性變形層深度的影響并不顯著。該現(xiàn)象主要?dú)w因于液氮的強(qiáng)冷卻效應(yīng)，使加工區(qū)域材料產(chǎn)生顯著的冷脆效應(yīng)，有效抑制了由切削熱引發(fā)的熱塑性變形趨勢(shì)。同時(shí)，在10.6~19.1m·min?1的切削速度范圍內(nèi)，產(chǎn)生的切削熱量有限，液氮的冷卻能力足以有效抑制該熱量，使得切削速度提升帶來的熱增量被充分抵消。

與乳化液冷卻切削進(jìn)行對(duì)比，液氮冷卻表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。對(duì)比圖4c與圖4d可得出，在相同切削參數(shù)下(v=19.1m·min?1、f=0.15mm·r?1、ap=0.6mm)，液氮冷卻使表層微觀組織的塑性變形深度降低15.46%。這是因?yàn)槿榛豪鋮s切削時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量切削熱，而較高的切削熱會(huì)引起表層出現(xiàn)熱軟化效應(yīng)并占據(jù)主導(dǎo)作用，抑制了表層材料塑性變形向內(nèi)部擴(kuò)展，所以加工表層材料塑性變形層深度范圍有限;而液氮冷卻切削時(shí)，表層熱軟化效應(yīng)被抑制，應(yīng)變強(qiáng)化作用占據(jù)主導(dǎo)，表層材料塑性降低，變形被限制在較窄區(qū)域，造成表層材料塑性變形特征更加顯著，塑性變形層深度減小。這進(jìn)一步驗(yàn)證了液氮冷卻切削能夠有效抑制表層材料塑性變形程度。

2.3.2 進(jìn)給量對(duì)表層微觀組織變化的影響

圖5和圖4c展示了在固定切削速度(v=19.1m·min?1)與切削深度(ap=0.6mm)條件下，進(jìn)給量從0.1mm·r?1增大至0.2mm·r?1時(shí)，液氮冷卻切削與乳化液冷卻切削兩種工況下材料表層的微觀組織演變。可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)給量f=0.1mm·r?1時(shí)可獲得較小的塑性變形層深度，而隨著進(jìn)給量的增大，表層塑性變形顯著加劇，表現(xiàn)為表層微觀組織沿切削方向拉長(zhǎng)、扭曲的程度加劇，塑性變形層深度δ從約6μm增大至10.7μm。該變化趨勢(shì)表明，進(jìn)給量是影響塑性變形深度的主導(dǎo)因素，根據(jù)切削力學(xué)原理，進(jìn)給量增大直接導(dǎo)致切削截面積(Ac=ap×f)增大，進(jìn)而使切削力(Fc≈Kc×ap×f)近似呈線性上升[17]。盡管液氮冷卻能有效抑制切削區(qū)域的熱積累，但其對(duì)由幾何與力學(xué)因素直接決定的切削力增強(qiáng)趨勢(shì)影響有限。因此，在較大進(jìn)給量下，即使處于低溫環(huán)境，顯著增大的切削力仍對(duì)表層材料施加更強(qiáng)烈的剪切與擠壓作用，從而引發(fā)更深的塑性變形層。

而在f=0.2mm·r?1時(shí)，對(duì)比圖5b和圖5c可以看出，液氮冷卻工況下的塑性變形層深度與乳化液冷卻切削下相近，表明在較大進(jìn)給量下，大切削力主導(dǎo)了材料的塑性變形行為，液氮冷卻對(duì)表層組織塑性變形深度的抑制效果受到力學(xué)因素的制衡。但二者表層材料的塑性變形特征有所差異:液氮冷卻切削條件下，塑性變形層的晶粒組織更為細(xì)小，變形層與基體的過渡區(qū)域更為陡峭;乳化液冷卻條件下，變形層與基體之間存在較寬的過渡區(qū)，呈現(xiàn)更明顯的梯度變形特征。造成這種差異的原因在于，液氮冷卻條件下，低溫脆化效應(yīng)使塑性變形更集中于表層淺區(qū)域，變形梯度增大;乳化液冷卻下的熱軟化效應(yīng)使塑性變形可以沿深度方向更平緩地傳遞。

2.3.3 切削深度對(duì)表層微觀組織變化的影響

圖6和圖4c展示了在固定切削速度(v=19.1m·min?1)與進(jìn)給量(f=0.15mm·r?1)的條件下，切削深度從0.4mm增大至0.8mm時(shí)，液氮冷卻切削和乳化液冷卻切削兩種工況對(duì)表層微觀組織塑性變形深度的影響。δ值隨切削深度增大呈線性上升趨勢(shì)，在切削深度為0.8mm時(shí)達(dá)到最大值(約為8.5μm)。這是因?yàn)樵谇邢魃疃葟?.4mm增大至0.8mm的過程中，切削力與切削熱隨切削截面積的擴(kuò)大呈近似線性增長(zhǎng)，其主導(dǎo)作用暫時(shí)超過液氮冷卻的抑制能力，導(dǎo)致塑性變形加劇，δ值相應(yīng)增大。而當(dāng)切削深度為0.8mm時(shí)，液氮冷卻切削下的塑性變形層深度較乳化液冷卻切削下降約10.53%，由此證實(shí)相同切削深度下，液氮冷卻切削能夠顯著抑制材料塑性變形程度。

3、結(jié)論

(1)液氮冷卻作為一種主動(dòng)調(diào)控加工區(qū)域材料物理狀態(tài)與材料去除機(jī)理的工藝方法，能夠有效滿足TC18鈦合金對(duì)車削表面低粗糙度與良好表層組織完整性的要求。與乳化液冷卻切削相比，液氮冷卻可使二維表面粗糙度Ra降低11.51%~23.18%，三維表面粗糙度Sa降低38.77%，并顯著改善表面三維形貌的均勻性，表層微觀組織的塑性變形層深度δ可減少10.53%~15.46%。其核心作用機(jī)理在于:液氮冷卻條件顯著抑制了切削區(qū)熱積聚與積屑瘤的形成，使材料局部產(chǎn)生冷脆效應(yīng)，促進(jìn)切屑脆性斷裂與剝離，并限制了熱一力耦合效應(yīng)向材料次表層的傳遞，從而提升了加工表層的微觀組織完整性。

(2)在液氮冷卻條件下，各切削參數(shù)對(duì)表面質(zhì)量的影響程度依次為進(jìn)給量>切削速度>切削深度。進(jìn)給量直接影響理論微觀形貌高度和切削力大小，是決定表面粗糙度、三維形貌及塑性變形層深度的最主要因素。在本研究設(shè)定的切削參數(shù)范圍內(nèi)，以表面粗糙度與表層微觀組織形貌為優(yōu)化目標(biāo)時(shí)，最優(yōu)工藝參數(shù)組合為:切削速度v=19.1m·min?1、進(jìn)給量f=0.1mm·r?1、切削深度ap=0.4mm。該最優(yōu)工藝參數(shù)用于TC18鈦合金液氮冷卻車削的半精加工階段能夠獲得優(yōu)良的表面完整性，將該技術(shù)移植到加工中心上具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

(3)液氮冷卻能有效緩解但無(wú)法完全抵消進(jìn)給量增大對(duì)表面質(zhì)量的負(fù)面效應(yīng)。而切削深度對(duì)塑性變形層的影響呈現(xiàn)單調(diào)遞增特征:隨著切削深度從0.4mm增大至0.8mm，變形層深度逐漸增大，并在ap=0.8mm時(shí)達(dá)到最大值(約為8.5μm)，但與乳化液冷卻相比，液氮冷卻在不同切削深度下的變形層抑制率保持穩(wěn)定，約為10.53%。后續(xù)研究可進(jìn)一步探究更低進(jìn)給量(f<0.1mm·r?1)與其他冷卻策略(如液氮+微量潤(rùn)滑復(fù)合冷卻)對(duì)表面完整性的協(xié)同優(yōu)化效果，并建立面向工程應(yīng)用的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)。

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（注，原文標(biāo)題：切削參數(shù)對(duì)TC18鈦合金液氮冷卻車削表面完整性的影響研究_張釗源）