低温加工对Ti-6Al-4V钛合金数控端铣削表面完整性影响的研究
Alborz Shokranilowast;, Vimal Dhokia, Stephen T. Newman
巴斯大学机械工程系，巴斯BA2 7AY，英国
摘要
本文首次全面研究了液氮低温冷却对端铣工艺中Ti-6Al-4V钛合金工件表面完整性的影响。钛是一种众所周知的难以加工的材料，其加工的特点是表面完整性差，工具寿命短。提高生产率，同时满足航空航天和医疗钛基部件的表面完整性要求一直是机加工操作的挑战。使用超冷液氮在-197℃下进行低温加工是一种方法，可以促进切削区域的散热，降低工件和刀具材料的化学性能，从而提高切削性。由于铣削是航空航天部件的主要加工操作之一，因此本研究主要集中在低温铣削上。将低温冷却对表面完整性的影响与端铣Ti-6Al-4V钛合金中的常规干法和流动冷却进行比较。在切割参数的各种组合下进行一系列加工实验。研究表面粗糙度和微观表面完整性，并测量每个样品的表面下显微硬度。分析表明，与干法和流动冷却方法相比，低温冷却分别使表面粗糙度降低了39％和31％。此外，由于低温，微观表面缺陷显着减少。研究表明，低温冷却显着改善了Ti-6Al-4V端铣的表面完整性
介绍和背景
切削液通常用于机械加工操作中，作为改善切削性和实现更高生产率的方法。然而，最近的研究已经确定切削液是健康和环境危害的潜在来源[1-3]。随着政府对其使用和处置的日益严格的规定，导致了与使用切割液相关的成本大幅增加[2]。这导致了在机械加工操作中消除切削液的需求不断增长[3,4]。相反，航空航天和医疗原始设备制造商（OME）已经规定了表面光洁度和特定类型切削液的使用要求，这些要求不允许在使用先进合金加工零件时完全消除切削液。Ti-6Al-4V钛合金具有较高的比强度，硬度，耐腐蚀性和生物相容性，是航空航天和医疗行业最具吸引力的材料之一[5,6]。众所周知，Ti-6Al-4V a-thorn;钛合金是最常用的钛合金，占全球产量的50％以上，其中80％用于航空航天和医疗行业[7]。在机加工操作中，钛合金的高强度，韧性和硬度导致切削区域产生过多的热量。由于导热性差和高的特定热量，产生的热量不能通过切屑和工件材料有效地散发，因此在切削区积聚。切削工具的温度升高，导致工件过热引起的表面缺陷，例如焊接，涂抹和机加工表面上的塑性变形，导致表面完整性差[2]。为了确保航空钛合金部件的可靠性，加工零件的表面完整性具有十分重要的意义[4]。为了在满足严格的部件表面完整性要求的同时实现高水平的生产率，工业公司使用复杂化学成分的大量水溶性或油基切削液 [8]。精细的钛基片具有高度可燃性，当使用油基润滑剂时，它可能会引起潜在的点火危险[9]。使用与水混溶的冷却剂通常可以消除点火的危险，同时建议使用大量具有高闪点的油基润滑剂，以尽量减少点火的可能性[8,9]。切削液用于控制切削温度和最小化表面缺陷。 此外，它有利于切削区域的润滑，减少热量产生和切削力，同时促进切屑排出[10]。然而，研究表明，切削液的润滑效果在较低的切削速度（低于150米/分钟）下更为显着，并且在较高的速度下不会出现明显的减少[11]。
水溶性切削液被各种政府机构视为对环境有害的物质，如英国健康与安全执行局（HSE），美国职业安全与健康管理局（OSHA）和加拿大职业健康与安全中心[12-15]。 此外，与切削液的制备，维护和处理相关的成本估计占制造成本总成本的16％[16]，在加工难加工材料时可能增加到20-30％[17]]。 有各种报道将切削液的暴露与各种职业病相关联，如皮炎[18-20]，职业性哮喘（OA），过敏性肺炎（HP），支气管超 - 响应性（BHR）[21-24]和各种类型的癌症[25,26]。
使用液氮（LN2）在197℃进行低温冷却是研究人员在加工切削液时同时改善表面完整性的技术之一[27]。关于钛合金低温加工的早期研究可以追溯到20世纪60年代，Uehara和Kamagui [28]报道低温冷却导致加工纯钛时表面粗糙度提高。洪等人[29-31]，Wang等人[32,33]和Dhananchezian和Kumar [34]对低温纺纱操作进行了广泛的研究，并报告说，低温冷却通过改善刀具寿命，降低切削力和表面粗糙度，显着提高了难加工材料的可加工性。 Pusavec和Kopac [35]研究了与低温冷却钛相关的成本，并将其与传统的冷却方式进行了比较。他们报告说，尽管LN2的每个部件的成本高于传统的冷却剂，但是在更高的切削速度下，生产率的提高尤其会导致总加工成本的显着降低。关于转变Inconel 718 [17]，已有类似的结论。 Pusavec等人。 [17]报道，低温加工可以使加工成本降低30％，同时具有显着的可持续性潜力。
可以找到低温加工的综合评论其他地方[36]。 尽管进行了这些研究，但对低温加工的综述[36]表明钛的低温加工的大部分研究都集中在车削操作的工具寿命上，同时忽略了表面完整性。 虽然，Shokrani等人的调查。 [36]已经表明，低温冷却改善了车削加工过程中钛的可加工性，这些结果不能延伸到间歇式多点铣削。因此，为弥
合这一差距，进行了一系列的加工实验，研究和分析了表面粗糙度，微观表面缺陷和表面下的显微硬度。
ID Cryogenic
Dry
- C1
- C2
- C3
- C4
- C5
- C6
- C7
- C8
- C9
Cutting Speed Feed Rate Depth of Cut m/min mm/tooth mm
D1 30 0.03 1
D2 30 0.055 3
D3 30 0.1 5
D4 115 0.03 3
D5 115 0.055 5
D6 115 0.1 1
D7 200 0.03 5
D8 200 0.055 1
D9 200 0.1 3
F9
F8
F7
F6
F5
F4
F3
F2
F1
Flood
本文的目的是确定使用液氮（LN2）作为冷却剂的低温冷却对使用整体硬质合金工具的端铣操作中Ti-6Al-4V钛合金的表面完整性的影响。
研究方法
为了系统地比较低温冷却与传统干法和水基冷却对Ti-6Al-4V端铣的影响，开发并实施了实验设计（DoE）。 DoE是进行系统实验的最常用技术，可以收集有意义的数据，并通过使用分析技术，得出适当的结论[37]。然而，这并不意味着所有的DoE都是有效和/或经济的[38]。由于材料属性取决于温度，因此切削刀具制造商推荐的切削参数不一定是低温加工的最佳切削参数。类似地，在干式加工中，切削温度显着高于传统的冷却方式。为了能够得出有意义的结论，应使用每个加工环境的最佳切削参数来评估可加工性。在缺乏关于最佳切割参数的知识的情况下，开发了考虑到这一点的混合DoE。
选择切削速度（Vc），进给速率（fz），切削深度（ap）和加工环境这四个参数作为DoE的输入。众所周知，全因子DoE是最全面的DoE类型，因为它考虑了切割参数之间的所有相互作用。然而，由于需要大量的实验运行，全因子DoE可能是详尽的，但是不具有资源效率。因此，对于该研究，使用正交阵列（OA）设计和全因子设计的组合。
使用L9正交阵列产生三个水平的切割速度，进给速率和切割深度的组合。 L9正交阵列重复三次，每次使用不同的加工环境。本研究选择了三种干法，水基冷却和低温冷却的加工环境，每个实验重复三次以最大限度地减少随机误差。表1显示了用于该研究的混合DoE的细节以及每个切割参数的值。
加工实验在配备有外部低温冷却系统的Bridgeport 610 p立式铣刨中心进行，如图1所示.Schokrani等人使用的类似的低温冷却系统。 [39]和Munoz-Escalona等人。 [40]用于本研究。使用1巴压力和20kg / h质量流量的液氮（LN2）进行实验。为了最大限度地减少工具磨损对表面完整性的影响，每个加工实验使用新的84 mm长，12 mm直径的TiN TiAlN涂层整体硬质合金刀具。端铣刀有3个参数，12°前角和38°螺旋角，45°250mu;m角倒角。为了最大限度地减少由于偏差和跳动引起的变化，使用了精密夹头和刀架，并且对于所有加工实验，刀具悬伸保持恒定。
为每个加工实验准备150mmtimes;50mmtimes;50mm退火的
表1.L9x3比较加工实验的实验设计
图1.低温加工系统的图示
图2.加工实验示意图
图3.每个加工实验的平均表面粗糙度
Ti-6Al-4V合金块，并且所有块都是同一批来源的。检查材料的硬度，它是285plusmn;5％VH。为了最大限度地减少工具磨损对表面完整性的影响，加工实验限制在沿4个通道进行的钛块的600mm加工长度，使用4mm径向切割深度（ae），如图2所示。
在进行机械加工实验后，用肥皂水和丙酮清洗块并随机编号以防止偏差判断。使用具有S5 / 03光学传感器（10nm分辨率）的Proscan 2000非接触表面分析仪测量表面粗糙度。遵循BS EN ISO 4288 [41]，BS EN ISO 3274 [42]和BS EN ISO 4287 [43]提供的指导原则进行表面粗糙度测试。因此，对于每次测量，使用具有0.8mm截止和300：1带宽的4mm评估长度。在沿加工路径的20个点处测量每个样品，并计算每个样品的表面粗糙度测量值的平均值。
除表面粗糙度外，还制备机加工块的横截面用于表面下显微硬度测试。使用维氏金字塔压头和施加100g载荷15秒，以10mu;m间隔测量亚表面显微硬度，直至机加工表面下方3mm深度。另外，使用扫描电子显微镜（SEM）检查加工表面的微观缺陷。
结果和分析
根据DoE重复进行3次加工实验后，在20个点测量每个加工样品的表面粗糙度，并计算每个样品的平均表面粗糙度。基于DoE的每个实验的平均表面粗糙度在图3中示出，其中误差棒显示重复实验的最小和最大平均表面粗糙度。平均表面粗糙度图表的目视检查表明，除了实验3之外，低温加工样品的表面粗糙度低于干燥和流动冷却的样品。
测试数据的正常性和异常值。因此，对于测量数据计算偏度和峰度，其等于1.033和4.0654，分别表明数据向右倾斜并具有重尾。因此，使用h = 0的Box-Cox变换来标准化数据。结果，数据显着更加对称，偏斜度为0.23，峰度为2.95，明显接近正态分布（3）。这允许对数据执行方差分析（ANOVA）。
对结果进行ANOVA以确定每个切削参数对表面粗糙度的信号。如表2所示，ANOVA验证了切削速度，进给速度，切削深度和加工环境的所有四个输入参数对表面粗糙度有显着影响。从ANOVA测试中检验F值表明，进给速率是影响表面粗糙度的最重要参数，而加工环境是第二个最重要的参数。
根据测量数据，生成表面粗糙度的主要效果图，如图4所示。表面粗糙度的主效应图显示，平均低温加工产生的表面粗糙度低于干燥和流动冷却加工环境。 此外，它建议应使用较低的进给速度和切削深度来降低表面粗糙度，同时更高的切削速度是有利的。
虽然主效应图显示低温加工中的平均表面粗糙度较低，但并不表明差异是否具有统计学意义。因此，对ANOVA结果进行了Tukey-Kramer多重比较检验。对于每个输入参数，图5中提供了测试图。该测试有助于比较每个参数的每个不同级别的均值。
如图5所示，为切削速度生成的Tukey-Kramer曲线表明，当切削速度从30 m / min增加到115 m / min时，存在显着差异。然而，当切割速度从115米/分钟增加到200米/分钟时，这些变化在统计上并不显着。另一方面，发现提高进给速度和切削深度对所得表面粗糙度具有显着影响。如图5所示，分析显示，将切割深度从3 mm增加到5 mm的效果小于将其从1增加到3。
Tukey-Kramer加工环境测试表明，低温加工产生的表面粗糙度明显低于干燥和流动冷却。分析表明，通过低温加工生产的样品的表面粗糙度与干燥和流动冷却的表面粗糙度显着不同。此外，它表明干法和冷却加工环境的结果之间没有统计学上的显着差异。
显微硬度和微观缺陷
使用扫描电子显微镜（SEM）进行加工表面的显微分析。如图1和图2所示。如图6-8所示，分析表明，无论切削参数和加工环境如何，所有样品的涂抹，变形和切屑沉积都占主导地位。 当在没有切割材料的情况下发生塑性变形时，发生进给痕迹的涂抹和变形，而在高切削温度和压力下，切屑再沉积起源于精加工切削加工切屑。
虽然所有加工样品都有表面缺陷，但不同加工环境的表面缺陷有所不同。例如，如图6所示，
在干燥，流动和低温条件下以30m / min切削速度加工的所有样品上观察到涂抹和碎屑再沉积。 然而，在干燥和流动的传统加工环境的情况下，这些现象的严重性更加明显
此外，如图7所示，在干式加工中进给标记的变形程度更为深远，而在低温加工中产生的样品
表2 表面粗糙度结果的ANOVA
Analysis of variance
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