一种新型钛合金水基切削液的研究外文翻译资料

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中国机械工程学报，71, (2021):398 - 406

一种新型钛合金水基切削液的研究

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制造工艺学报

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杨叶a，*，郭松山a，司丽娜a，刘腾飞b，戴远景b，闫承志c，张晨辉d

^a华北工业大学机械与材料工程学院，北京

b清华大学天津先进装备研究院，天津

^c北京控制工程研究所，精密旋转与传动机构长寿命技术北京市重点实验室，北京d清华大学，北京

这是一个有意义的问题

关键词:

钛合金切削液粘着磨损刀具寿命

A b s t r c t

钛合金是一种难切割、难润滑的材料。研制了一种新型合成水基钛合金切削液。含有极性基团的主要成分容易吸附在钛合金表面，形成稳定的边界润滑膜。对研制的切削液进行了润滑和抗磨性能测试，结果表明，使用研制的切削液摩擦因数较低。并通过攻丝、铣削、钻孔等方式对所研制的切削液进行了加工性能测试。采用攻丝扭矩、加工力、刀具磨损和加工表面粗糙度等指标对切削液进行评价。结果表明，所研制的切削液对钛合金具有良好的润滑性能，可降低切削力和刀具磨损，并获得良好的表面质量。

1.介绍

钛合金以其高强重比、高温稳定性、断裂韧性和良好的防腐性能等突出特点在航空航天工业中得到了广泛的应用[1,2]。然而，钛合金由于导热系数低，化学活性高，弹性模量小，是一种难切割材料，限制了其应用[3,4]。切削温度高，刀具磨损严重，加工表面质量差。许多研究人员报道，通过采用新的冷却和润滑方法，如低温冷却[6,7]、低温空气润滑[8,9]和最小数量润滑(MQL)[10,11]，钛合金的可加工性得到了改善。这些研究已经取得了一定的理论成果，但新型冷却系统结构复杂，成本较高。因此，目前这些研究很少应用于实际生产中。使用切削液仍是去除接触区热量以提高切削性能的最有效、最实用的方法。水基切削液是降低切削温度、提高切削效率的重要手段。一方面，高含水率的流体加速了流体的传导

产生的热量。另一方面，切削液中的添加剂为前刀面/切屑和后刀面/工件之间提供了良好的润滑，降低了摩擦热的产生。特别是润滑性能对表面质量和刀具寿命有很大的影响[12,13]。

水基切削液的润滑性能是通过润滑和极压添加剂实现的[14,15]。润滑添加剂可以形成流体动压膜或吸附膜，提高水的成膜能力。极压添加剂在高温高压下无法工作时，一般通过与表面的相互作用形成化学反应膜或吸附膜，以实现有效润滑。流体的润滑和抗磨能力与工件与刀具之间形成的边界膜的结构和特性有关。人们对具有良好润滑、抗磨和极压性能的有效添加剂进行了大量研究。例如，Bierla[17]比较了液体石蜡中3种含s的极压添加剂对铣削钢的影响。芯片表面XPS分析表明FeS薄膜在降低摩擦方面起着重要作用。硼酸酯

*通讯作者。

E-mail: yangye@ncut.edu.cn(杨杨)。

https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2021.09.046

2021年6月8日;于2021年9月22日收到订正本;2021年9月23日接受；2021年10月1日在线提供

1526-6125/copy;2021制造工程协会。

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杨勇等。

表15

所研制切削液中各成分的比例。

表2

切削液的基本性质。

本文研究的切削液可用于钛合金加工，增加刀具磨损。

2.实验

其中含有硼酸、氧化硼和氧化铁的摩擦化学反应膜吸附在金属表面，有效地提高了润滑性能[18,19]。然而，添加剂与工件材料之间存在着匹配问题。这些功能化合物通常是为黑色金属设计的[12,20,21]。在钛合金中，由于缺乏铁元素，不可能发生同样的反应。钛合金的摩擦学性能差，摩擦系数高，粘着磨损严重[22-24]。通用润滑剂通常不能润滑钛合金[25-27]。Cheng[27]测试了液态石蜡润滑Ti-6Al-4V的摩擦系数，显示值在0.45 ~ 0.53之间。纳米铜包覆O,O^′将-二正辛二硫代磷酸铜(Cu-DTP)添加到菜籽油中，进行了Ti-6Al-4V滑动对AISI52100的摩擦实验。在纯菜籽油和含1 wt% Cu-DTP的润滑条件下，当外加载荷大于100 N[28]时，试验无法继续进行。与基础油相比，水基润滑油具有良好的冷却性能，是钛合金润滑油的良好选择。Niu[29]研究了TC4、TC18和TA19钛合金在水润滑条件下对碳化钨的摩擦磨损性能。结果表明:在水润滑条件下，TC4/WC- Co和TA19/WC-Co摩擦副的摩擦系数和磨损体积均比干润滑条件下显著降低;研究人员试图开发有效的钛合金添加剂。Chen[30]研究了Na的作用 K Ca2 和Ba2 离子对TC4钛合金钻孔过程的影响。发现化合物中含有Ba² 离子对生成的BaTiO3的氧化反应润滑性能最好。Wu[31]研究了二烷基二硫代磷酸钼(MoDDP)、月桂酸二乙醇酰胺及其硼酸盐三种不同水溶液对钛合金/硬质合金体系的润滑性能。结果表明，MoDDP无润滑作用。另外两种润滑液能在摩擦过程中生成多种钛氧化物，具有良好的抗磨性能。

然而，这些研究都集中在一种添加剂上，所研究的溶液不能直接用作切削液。一种工业水基切削液含有多种功能性添加剂，如pH调节剂、防锈剂等[32,33]。由于钛合金难以润滑[34]，不同添加剂的相互作用可能会改变流体的润滑状态。此外，还缺乏专门为钛合金设计的切削液，以提供良好的润滑和获得良好的加工质量。随着钛合金特别是Ti-6Al-4V在各种工程应用中的应用越来越广泛，开发具有良好润滑性能的有效切削液变得十分重要。本文在前人研究单一有效的钛合金润滑剂[34-37]的基础上，研制了一种具有良好导热性能的新型水基切削液，该切削液中含有多种水溶性酯，可在钛合金表面形成稳定的润滑膜。通过铣削和钻削对其性能进行了测试，并与一种广泛应用于航空工业的商用乳液进行了比较。从切削力和表面质量两个方面评价了切削液对加工性能的影响。发达水性

２．１．介绍了所研制切削液的成分及基本性能

针对钛合金摩擦学性能较差的问题，研制了一种具有良好润滑和冷却性能的全合成切削液。选用含有多种极性官能团的自乳化酯(SEE)作为润滑油的主要成分。在之前的研究[36]中已经证明，浓度为1 wt%的SEE水溶液可以大大降低钛合金的粘着和磨粒磨损。SEE分子的疏水部分能吸附在钛合金表面形成牢固的润滑膜。此外，还添加了一种能与钛合金表面形成化学反应膜的有机磷酸酯作为润滑剂。流体的pH由N, N-二甲基十二烷基胺调节，它与润滑剂添加剂具有协同润滑增强作用。此外，系统中还添加了各种功能添加剂，如消泡剂、杀菌剂、防锈剂等。稀释剂水溶液能防止工件和工具的腐蚀，并能有效地抗发泡。此外，这些活性成分可以分散和回收，这是环保的。各成分的比例如表1所示:

使用前将切削液用水稀释至5%。选择一种工业上已用于钛合金加工的工业切削液，在相同浓度和相同实验条件下进行比较。

切削液的渗透性和散热性受黏度的影响。因此，粘度是影响切削液冷却润滑性能的重要因素。稀释剂的粘度由旋转流变仪(Aaton Paar Physica MCR301)测量。在25℃时为1.00 mPasdot;s ^◦C，几乎和纯水一样。切削液的润湿性与其表面张力有关。表面张力低的液体在固体表面的接触角小，容易扩散渗透到刀具与切屑的接触间隙中。采用K-12表面张力仪，按Wilhelmy plate法测定切削液的表面张力，三次试验取平均值。为32mn /m，满足国家标准要求(le;40mn /m)。研制的切削液和商用乳状液的基本物理性质如表2所示。

2．2．摩擦试验和表面形貌

1)采用SRV-4摩擦试验机进行往复摩擦试验。整体结构示意图及原理图如图1所示。下试样为TC4钛合金盘，硬度为HRC35。试验前对钛合金圆盘进行抛光处理，使其表面粗糙度(Sa)达到20 nm。上部试样为YG8 (WC-Co)硬质合金球，直径为10 mm。球的硬度为HRA89，表面粗糙度(Sa)为25 nm。用丙酮和乙醇超声清洗样品，然后用超纯水清洗10分钟。实验开始时，在钛合金圆盘表面滴入0.2 mL润滑油。然后将负载施加到程序设定的值上，往复运动开始。上球以一定的频率(20 Hz)在固定圆盘上滑动5分钟，行程为1毫米。

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杨勇等。

(一)

(b)

负载

振动

BallLubricantDisk

V

图1所示。SRV-4摩擦试验机(a)总体结构图(b)原理图。

主轴

电脑

刀

WorkpieceDynamometer

切削液

负责

放大器

信号acquisitioncard

表格

图2所示。整个加工系统原理图。

实验温度设置为75 ^◦C.为保证数据的真实性和可靠性，每组实验重复三次，相对误差控制在plusmn;0.5%以内。

2)利用白光干涉仪(MICROXAM-3D)观察摩擦表面的三维形貌并计算磨损体积。

3)采用Quanta200扫描电子显微镜(SEM)结合能谱分析(EDS)进行表面分析。

2.3。攻丝

采用德国Microtap TTT公司研制的攻丝扭矩测试系统，在phi;3.7(plusmn;0.01)mm标准孔的TC4合金工件上，在500 rpm的加工速度下，初步研究了两种切削液的加工性能。标准螺纹成形器(TTT_M4F-NT)，其表面先氮化后氧化，用于攻丝试验。通过攻丝扭矩(Nsdot;cm)评价切削液的润滑性能。每个实验重复三次。

2.4。铣削和钻

铣削和钻削加工工艺是在某型机床上进行的

哈斯迷你机。一台测力计(瑞典Kistler公司的9129AA切削力传感器)通过过渡板固定在工作台上，一台Ti-6Al-4V工件固定在测力计上。该传感器测量加工过程中Fx、Fy、Fz三个方向的瞬时切削力。切削力的变化直接反映了刀具的磨损情况。图2为整个加工系统的原理图。力数据经5080多路电荷放大器放大后，由信号采集软件采集并由计算机输出。对数据进行过滤，取切削力的最大值。

铣削使用的刀具是瑞士Delwatool的四齿立铣刀。基体材料为钴含量12%的硬质合金，表面有0.4 mu;m厚的TiAlN涂层。该钻头为麻花钻，直径为3.7 mm, TiAlN涂层为0.6 mu;m。本文通过简单的加工工艺——平面铣削和钻孔，对切削液的加工性能进行了评价。分析了切削力、刀具磨损和表面质量。

切削液通过一个固定喷嘴和三个移动喷嘴施加。在流量约为2000 mL/min，压力约为60 psi的条件下进行了注水试验。分别用研制的切削液和工业用乳化液进行对比。每次加工试验重复三次，确保数据的可靠性。机加工后的样品用清水冲洗，然后用压缩空气干燥，进行后续的表面质量检验。

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杨勇等。

咖啡

开发切削液商用乳状液

时间(年代)

图3所示。研制的切削液与工业乳状液的摩擦系数。

3.结果和分析

3．1．研制的切削液的润滑性能

研制的切削液与工业乳状液往复滑动时的摩擦系数如图3所示。至于

而商用乳状液，磨合时间约60s后，摩擦系数降至稳定值0.23。在实验过程

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