采用田口方法优化的氮强化不锈钢的低温车削工艺

《Materials & Design》：Taguchi-optimized cryogenic turning of nitrogen-strengthened stainless steel

Nitronic-50不锈钢的切削性能研究表明，液氮低量润滑（LN?LQL）显著降低表面粗糙度（61%）、切削温度（77%）和 flank磨损（63%），优于干切削和纳米流体润滑。采用L?七五正交试验设计结合COPRAS多准则决策分析，验证LN?LQL在提升加工精度和工具寿命方面的有效性。

　　在现代制造业中，材料加工性能的提升是提高生产效率和产品质量的关键因素之一。特别是对于难以加工的金属材料，如不锈钢，其加工过程中常常面临机械稳定性差、切削温度高、刀具磨损严重以及表面粗糙度难以控制等问题。针对这些挑战，近年来研究者们不断探索新的加工技术与润滑方式，以实现更高效、更环保的加工过程。其中，纳米流体冷却润滑技术（MQL）和液氮冷却技术（LN2LQL）因其在降低切削温度、减少刀具磨损和改善表面质量方面的优势，成为当前研究的热点。本文以Nitronic-50不锈钢为研究对象，通过实验分析和多种优化方法，探讨了不同冷却润滑条件下材料加工性能的变化，并重点比较了液氮低量润滑（LN2LQL）与干切削（DC）及纳米流体低量润滑（NLQL）之间的差异。

Nitronic-50不锈钢是一种含氮、铬和锰的奥氏体不锈钢，具有优异的耐腐蚀性和机械强度。然而，由于其加工过程中产生的高热效应和刀具与工件之间的强烈摩擦，传统的干切削方式往往导致刀具磨损严重，加工表面质量下降。为了解决这些问题，研究者们引入了各种冷却润滑技术，包括纳米流体冷却润滑、液氮冷却以及混合润滑策略。纳米流体冷却润滑技术利用纳米颗粒的特殊物理和化学性质，增强冷却液的热传导性能和润滑效果，从而有效降低切削温度和刀具磨损。液氮冷却则通过低温环境抑制材料的热软化现象，减少切削过程中的塑性变形，提高加工表面的光洁度和精度。

实验中，研究者采用了L27田口设计法，这是一种稳健的实验设计方法，能够在有限的实验次数内对多个变量进行系统分析。通过设定不同的切削速度（35、50、65 m/min）、进给速度（0.08、0.1、0.12 mm/rev）以及切削深度（1 mm），研究者对三种不同的加工方式——干切削、纳米流体低量润滑和液氮低量润滑进行了对比分析。实验结果显示，液氮低量润滑在多个关键指标上表现突出，包括表面粗糙度（Ra）、切削温度（T）和刀具后刀面磨损（Fw）。具体而言，在液氮低量润滑条件下，表面粗糙度降低了61%和38%，切削温度降低了77%和63%，刀具后刀面磨损降低了相应比例。这些数据表明，液氮冷却技术在降低切削过程中产生的热量和摩擦方面具有显著优势，从而有效延长了刀具寿命并提升了加工质量。

除了表面粗糙度和切削温度，刀具磨损程度也是衡量加工性能的重要指标。在液氮低量润滑条件下，刀具磨损得到了有效控制，这主要得益于液氮的低温特性，它能够减少切削区域的热软化现象，从而降低刀具与工件之间的摩擦和磨损。此外，液氮冷却还能够促进切屑的形成和排出，减少切屑对刀具的黏附作用，进一步降低刀具磨损率。相比之下，纳米流体低量润滑虽然在一定程度上改善了切削性能，但其效果仍不及液氮冷却。干切削方式则由于缺乏有效的冷却和润滑，导致切削温度过高，刀具磨损加剧，加工表面质量较差。

在实验过程中，研究者还对加工后的工件表面进行了微观结构分析，以进一步验证液氮冷却对材料加工性能的影响。结果表明，液氮冷却条件下，工件表面的晶粒结构更加细密，这有助于提高材料的机械性能和表面光洁度。此外，液氮冷却还能够减少切削过程中产生的残余应力，提高加工表面的稳定性。这些微观结构的变化进一步支持了液氮冷却在改善加工性能方面的有效性。

除了实验分析，研究者还采用了复杂的比例评估（COPRAS）方法，这是一种多准则决策分析技术，用于评估不同加工条件下的综合性能。通过COPRAS方法，研究者对液氮冷却、纳米流体冷却和干切削三种加工方式进行了系统比较，最终得出液氮冷却在综合性能上表现最佳的结论。该方法不仅考虑了切削温度、表面粗糙度和刀具磨损等直接指标，还结合了加工效率、成本效益和环境影响等间接因素，为实际生产中选择合适的加工方式提供了科学依据。

值得注意的是，尽管液氮冷却技术在提升加工性能方面表现出色，但其应用仍面临一些挑战。例如，液氮的获取和储存成本相对较高，且在某些情况下可能对设备和环境造成一定的影响。因此，研究者在实验中还探讨了液氮冷却与其他冷却润滑技术的结合方式，以寻求更高效、更经济的解决方案。例如，液氮冷却与纳米流体润滑的混合使用，可以在一定程度上平衡冷却和润滑的效果，既降低了液氮的使用量，又提高了纳米流体的润滑性能，从而实现更环保和可持续的加工过程。

综上所述，液氮低量润滑技术在提升Nitronic-50不锈钢加工性能方面具有显著优势。通过降低切削温度、减少刀具磨损和改善表面粗糙度，液氮冷却不仅提高了加工效率，还延长了刀具的使用寿命。然而，液氮冷却技术的推广仍需进一步优化其成本效益和环境影响。因此，未来的研究可以更多关注如何在保证加工性能的同时，降低液氮的使用成本，并探索其与其他先进润滑技术的结合方式，以实现更高效、更环保的加工过程。