MQL（微量润滑）对Ti2AlNb金属间化合物侧铣加工中刀具磨损机制的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Effects of MQL on tool wear mechanisms in side milling of Ti 2AlNb intermetallic alloys

Ti?AlNb合金的干切削与MQL切削对比研究表明，MQL显著降低切削力（干态67.71N vs MQL38.90N），延缓刀具磨损，工具寿命延长至739.2s（干态172.8s），3.28倍提升。主要磨损机制为粘着与氧化，MQL有效抑制 Built-up edge（BUE）形成及涂层脱落，并通过冷却润滑作用降低界面摩擦与温度。

　　Ti?AlNb作为一种新型的轻质、高温性能优异的金属间化合物材料，因其出色的比强度和抗蠕变性能，被认为是航空发动机关键部件制造的理想候选材料。然而，这种材料的高温度强度、较强的抗塑性变形能力以及较低的热导率，使其成为一种典型的难加工材料。在切削过程中，Ti?AlNb会产生较高的切削力和温度，这不仅加速了刀具的磨损，还可能影响加工质量。因此，寻找有效的加工方法以提升其可加工性，成为当前研究的重点。

本研究引入了最小润滑量（MQL）技术，旨在改善Ti?AlNb的切削性能。MQL是一种环保型冷却润滑技术，相较于传统切削液，其在节能减排方面具有显著优势。通过对比干切削和MQL条件下的切削行为，研究者发现MQL在多个方面表现出优越性。首先，MQL显著降低了切削力，减轻了材料与刀具之间的粘附现象，抑制了积屑瘤（BUE）的形成，并延缓了刀具磨损的进程。在干切削条件下，当刀具的后刀面磨损宽度达到0.23 mm时，刀具发生失效，而MQL条件下，刀具的失效主要表现为崩刃现象。实验数据显示，MQL条件下的刀具寿命达到739.2秒，是干切削条件下（172.8秒）的3.28倍。

此外，MQL对切削力的控制更为平稳。在干切削条件下，切削力在172.8秒内迅速上升，从34.68 N增加至67.71 N，增幅达33.01 N。而在MQL条件下，切削力在相同时间内仅从33.55 N增长到38.90 N，增幅仅为5.45 N。这表明，MQL在降低切削力增长速率方面具有明显优势。随着切削时间的延长，MQL条件下的切削力逐渐增加，直到403.2秒时，切削力增长速率加快，最终在739.2秒时达到91.39 N。此时，切削力的急剧上升与刀具崩刃现象的出现相吻合，说明刀具的崩刃是导致后期切削力激增的主要原因。

刀具的磨损机制在干切削和MQL条件下表现出相似性，主要为粘附磨损和氧化磨损。在干切削过程中，刀具后刀面和主刀面均出现显著的材料粘附现象，同时伴随着涂层剥离和积屑瘤的形成。特别是在主刀面上，由于高温和高压条件，材料粘附更为明显，导致刀具的快速磨损。而在MQL条件下，尽管氧化反应仍然存在，但粘附现象和涂层剥离明显减少。这主要是因为MQL提供的润滑和冷却作用降低了刀具与工件之间的摩擦，减少了接触区域的温度和应力，从而延缓了材料粘附和氧化的进程。同时，MQL的使用也有效抑制了积屑瘤的形成，使得切削过程更加稳定。

在刀具磨损形态方面，干切削条件下，刀具后刀面的磨损主要表现为材料的大量脱落和涂层的严重剥离，而主刀面则呈现出明显的积屑瘤现象。这些现象表明，干切削条件下刀具的磨损机制较为复杂，且磨损速率较快。相比之下，MQL条件下，刀具的磨损形态以崩刃为主，同时伴随着少量的材料粘附和涂层剥离。这种差异可能与MQL在切削区域内的冷却和润滑效果有关，它能够有效降低切削温度，减少刀具与工件之间的直接接触，从而延缓刀具的磨损。

研究还发现，MQL不仅提高了刀具寿命，还改善了加工表面质量。在干切削条件下，由于高温和高压导致的材料粘附和积屑瘤，使得加工表面粗糙度较高，甚至出现裂纹和表面缺陷。而在MQL条件下，由于润滑和冷却作用的增强，材料粘附现象减少，积屑瘤的形成被有效抑制，加工表面质量得到显著提升。此外，MQL的使用还降低了切削能耗，减少了对环境的污染，符合当前制造业对绿色加工技术的需求。

尽管MQL在改善Ti?AlNb的切削性能方面表现出诸多优势，但该技术在Ti?AlNb的加工应用仍处于初步探索阶段。目前的研究主要集中在其他高强度合金材料上，例如Ti6Al4V、GH4099和Inconel 718等，而对Ti?AlNb的MQL加工研究相对较少。因此，本研究的意义在于填补这一领域的空白，为Ti?AlNb的高效、环保加工提供理论支持和技术参考。

从实验结果来看，MQL在延长刀具寿命、降低切削力、改善加工表面质量等方面具有显著效果。然而，刀具磨损对加工表面完整性、亚表面微观结构以及机械性能的影响仍需进一步研究。未来的研究可以结合高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）和电子背散射衍射（EBSD）等先进技术，深入分析刀具磨损对材料微观结构和性能的影响。此外，高压力喷射冷却技术（HPJCT）作为一种有效的冷却润滑方法，已被证明能够显著降低切削温度，延长刀具寿命。因此，未来的研究还可以将MQL与HPJCT进行对比，以确定最优的冷却润滑策略。

综上所述，本研究通过对比干切削和MQL条件下的切削行为，揭示了MQL在改善Ti?AlNb加工性能方面的潜力。实验结果表明，MQL能够有效降低切削力，抑制材料粘附和积屑瘤的形成，延缓刀具磨损，并显著提高刀具寿命。这些发现不仅为Ti?AlNb的加工提供了新的思路，也为其他难加工材料的切削工艺优化提供了参考。未来的研究应进一步探索MQL对加工表面质量的影响，以及其与其他冷却润滑技术的协同作用，以推动该技术在航空发动机制造中的广泛应用。