大氣壓冷等離子體射流輔助微銑削純鈦試驗(yàn)研究

陳泊希，李育恒，周瑜陽，王秉奇，劉吉宇，劉 新

（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連 116204）

純鈦的密度較低、比強(qiáng)度高、抗腐蝕性優(yōu)異、生物兼容性好，在航空航天、輪船、醫(yī)療等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。但是純鈦的化學(xué)活性高、導(dǎo)熱性差，在切削加工時切屑易發(fā)生粘結(jié)，導(dǎo)致加工表面質(zhì)量較差。作為一種重要的微細(xì)加工工藝，微銑削技術(shù)已被廣泛用于金屬零部件的精密加工。純鈦支架、人工關(guān)節(jié)、牙冠等植入體均可通過微銑削技術(shù)加工成形[3]。因此，實(shí)現(xiàn)純鈦材料的高效率、高質(zhì)量微銑削加工具有重要意義。

為了實(shí)現(xiàn)金屬材料的高質(zhì)量微細(xì)加工，目前人們采用的方法主要有冷卻介質(zhì)輔助微細(xì)切削[4-5]、超聲振動輔助微細(xì)切削[6-7]、激光輔助微細(xì)切削[8-9]等。冷卻介質(zhì)輔助切削是利用液態(tài)或氣態(tài)的冷卻介質(zhì)對切削區(qū)域進(jìn)行冷卻降溫，常用的冷卻潤滑方式有風(fēng)冷、水冷、微量潤滑（minimum quantity lubrication，MQL）；冷卻介質(zhì)輔助切削方法可在一定程度上改善切削區(qū)域的冷卻潤滑環(huán)境，但冷卻介質(zhì)在切削過程中難以充分進(jìn)入切削區(qū)域，且不能有效解決純鈦材料的高塑性導(dǎo)致的相應(yīng)問題。超聲振動輔助切削是在工件或刀具上沿一定方向施加高頻振動，將連續(xù)切削轉(zhuǎn)變?yōu)閿嗬m(xù)切削的一種輔助加工方法，可有效降低切削力和切削溫度、減緩刀具磨損；但超聲振動輔助加工所得表面易因振動而產(chǎn)生振紋，影響表面微細(xì)切削質(zhì)量。激光輔助切削是利用激光對工件進(jìn)行預(yù)熱軟化，再利用傳統(tǒng)加工方式完成材料去除的一種切削方法，可有效提高切削加工性能、降低切削力；但激光輔助切削設(shè)備價(jià)格昂貴，且過高的溫度易使工件產(chǎn)生變形，對于微細(xì)切削的加工精度影響較大。

大氣壓冷等離子體射流可在短時間內(nèi)將金屬表面改性為超親水狀態(tài)[10]。超親水表面有利于冷卻介質(zhì)的鋪展和滲透，可有效提高切削區(qū)域的傳熱效率、改善純鈦加工過程的冷卻潤滑環(huán)境。另外，由Rehbinder效應(yīng)[11]可知，活性粒子吸附于金屬材料表面時，可促進(jìn)材料表面裂紋擴(kuò)展，從而促進(jìn)材料斷裂。冷等離子體射流中富含氣體電離產(chǎn)生的帶電粒子、活性基團(tuán)等，如能將其吸附于純鈦材料表面，則有望促進(jìn)材料斷裂，從而緩解加工過程中切屑粘結(jié)導(dǎo)致的切削力大、表面質(zhì)量差等問題。但目前關(guān)于冷等離子體射流輔助加工純鈦材料的相關(guān)研究尚未見報(bào)道。

本文提出將大氣壓冷等離子體射流引入純鈦材料的加工區(qū)域，通過調(diào)控純鈦材料的浸潤性、力學(xué)性能等特性，改善其切削加工性能，提高表面質(zhì)量。本文搭建了可產(chǎn)生均勻、穩(wěn)定冷等離子體射流的發(fā)生裝置，在此基礎(chǔ)上，通過親水性改性試驗(yàn)、力學(xué)性能試驗(yàn)，探究了冷等離子體射流輔助切削純鈦材料的作用機(jī)理，并在不同冷卻潤滑環(huán)境下對純鈦材料開展了微銑削試驗(yàn)，測試不同加工條件下所得表面微觀形貌、表面粗糙度、切削力、刀具磨損等，研究了冷等離子體射流對純鈦材料加工過程的改善效果。

1 冷等離子體射流的產(chǎn)生及特性

1.1 冷等離子體射流發(fā)生裝置

本文搭建的冷等離子體射流發(fā)生裝置見圖1，由氣源系統(tǒng)、電極系統(tǒng)和電源系統(tǒng)組成，各系統(tǒng)裝置的主要參數(shù)見表1。氣源系統(tǒng)以氮?dú)庾鳛楣ぷ鳉怏w，通過減壓閥和流量控制器來控制進(jìn)入電極系統(tǒng)的氣體流量；電極系統(tǒng)采用針-筒式放電形式，其中針電極作為正極、接地電極作為負(fù)極；電源系統(tǒng)的工作電源選用交流電源。

表1 冷等離子體射流發(fā)生裝置主要參數(shù)

圖1 冷等離子體射流發(fā)生裝置

1.2 冷等離子體射流特性

適合用于輔助加工的冷等離子體射流需具有一定長度，以確保冷等離子體射流可被有效輸送至切削區(qū)域；同時，射流溫度不宜過高，以免對加工過程造成負(fù)面影響。在上述裝置及參數(shù)下產(chǎn)生的冷等離子體射流照片見圖2?？芍淞黝伾珵辄S紫色，射流長度約23 mm，射流的宏觀溫度約27.8℃，接近室溫。由此可見，采用該裝置產(chǎn)生的冷等離子體射流的長度及溫度均滿足使用要求，適合用于輔助微銑削純鈦材料。

圖2 純氮冷等離子體射流照片

2 冷等離子體輔助微銑削機(jī)理研究

2.1 對純鈦表面潤濕性影響

冷等離子體射流對純鈦表面的親水性改性機(jī)理是射流中的活性粒子改變了材料表面的化學(xué)成分，提高了材料表面能[10]。因此，為提高冷等離子體射流的活性粒子濃度和親水性改性效率，本文提出在氮?dú)庵谢烊脒m當(dāng)比例的氧氣和水蒸氣的方案（圖3）?；烊氩煌壤鯕夂退蟮玫降睦涞入x子體射流照片見圖4。

圖3 氮?dú)庵谢烊胙鯕夂退桨甘疽鈭D

圖4 氮?dú)庵谢烊氩煌壤难鯕?水所得冷等離子體射流照片

由圖4可知，當(dāng)氧氣和含水氮?dú)獗壤笥?%時，冷等離子體射流的長度明顯變短，難以被引入切削區(qū)域，已不再適用于輔助加工。因此，本文選用混入氧氣和含水氮?dú)獗壤鶠?%的工作氣體，產(chǎn)生冷等離子體射流，進(jìn)行親水性改性試驗(yàn)。試驗(yàn)分別采用純氮?dú)狻⒌趸旌蠚?、氮水混合氣所產(chǎn)生的冷等離子體射流對金屬表面進(jìn)行不同時間的處理，并測量接觸角的大小。考慮到輔助切削過程中噴嘴與金屬表面需保持一定距離，試驗(yàn)將噴嘴與金屬表面的距離設(shè)為10 mm。

親水性改性試驗(yàn)過程中的接觸角變化情況見圖5?？梢?，氮水混合氣所產(chǎn)生的冷等離子體射流的改性效率最高，可在20 s內(nèi)將純鈦表面接觸角降至10°以下，達(dá)到超親水狀態(tài)。因此，本文選擇氮水混合氣所產(chǎn)生的冷等離子體射流進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

圖5 三種冷等離子體射流作用下的純鈦接觸角變化

2.2 對純鈦力學(xué)性能影響

本文在不同氣氛下開展拉伸試驗(yàn)，以研究冷等離子體射流對純鈦力學(xué)性能的影響規(guī)律和作用機(jī)理。試驗(yàn)樣片厚度為0.1 mm，通過線切割制成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，標(biāo)距為40 mm。試驗(yàn)分別在空氣、氮?dú)?、冷等離子體射流三種不同氣氛下進(jìn)行，其中，氮?dú)鈿夥障滤玫臍怏w流量及溫度與冷等離子體射流氣氛下的相同，以排除氣體沖擊作用對拉伸過程的影響。

拉伸試驗(yàn)所得工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線見圖6?？梢?，在冷等離子體射流作用下，純鈦材料的斷后伸長率顯著降低，而作為對照組，氣體射流作用下的材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線則無明顯變化。試驗(yàn)結(jié)果表明，冷等離子體射流可促進(jìn)純鈦拉伸樣片斷裂。為進(jìn)一步探究等離子體射流對材料力學(xué)性能產(chǎn)生影響的作用機(jī)理，采用Helios G4 UX聚焦離子束系統(tǒng)觀測混水冷等離子體射流處理前后的樣品截面形貌，首先借助聚焦離子束系統(tǒng)的離子束在樣品表面刻蝕出一橫斷面，再用電子束觀測樣品形貌。

圖6 不同環(huán)境下純鈦拉伸工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖7是聚焦離子束系統(tǒng)測得的等離子體處理前后純鈦樣品截面形貌?？梢?，與未處理時相比，經(jīng)冷等離子體射流處理后，樣品截面出現(xiàn)了厚度約為1.9μm的變質(zhì)層，而變質(zhì)層的產(chǎn)生使純鈦材料的力學(xué)性能出現(xiàn)變化。

圖7 截面微觀組織形貌觀測結(jié)果

3 微銑削試驗(yàn)

在切削機(jī)理試驗(yàn)基礎(chǔ)上，本文分別在干切削、氣體射流、冷等離子體射流、微量潤滑（MQL）及冷等離子體射流復(fù)合MQL等五種冷卻潤滑條件下開展微銑削試驗(yàn)，通過測試表面形貌、表面粗糙度、切削力和刀具磨損，研究冷等離子體射流對微銑削過程的改善效果。試驗(yàn)選取的切削參數(shù)如下：主軸轉(zhuǎn)速30 000 r/min、進(jìn)給速度1 mm/s[12-13]。為探究冷等離子體射流在純鈦表面形成的變質(zhì)層對切削過程的影響，分別在切削深度為10、30μm時開展加工試驗(yàn)，試驗(yàn)選用刀刃直徑0.8 mm、刃長1.6 mm、刀具螺旋角30°的BSK550ALXJD刀具。

3.1 表面形貌及表面粗糙度

表面質(zhì)量是評價(jià)微銑削加工過程的重要指標(biāo)，直接影響零件的尺寸精度及使用壽命。圖8、圖9分別是切削深度為10μm時的加工表面形貌及表面粗糙度情況?？梢?，單獨(dú)采用冷等離子體射流所得表面粗糙度值相比于干式微銑削、氮?dú)廨o助微銑削的情況均明顯降低，而在冷等離子體射流及MQL冷卻介質(zhì)的復(fù)合作用下，所得表面質(zhì)量最佳，相比于MQL輔助微銑削也有明顯提升。冷等離子體射流可促進(jìn)純鈦材料斷裂，改善切削加工性能，故單獨(dú)引入冷等離子體射流即可有效提高表面質(zhì)量。當(dāng)切削區(qū)域存在MQL冷卻介質(zhì)時，冷等離子體射流對純鈦表面的親水性改性作用有助于MQL冷卻介質(zhì)浸潤純鈦表面，可進(jìn)一步改善材料的表面質(zhì)量。

圖8 切削深度10μm時的加工表面形貌

圖9 切削深度10μm時的加工表面粗糙度

圖10 、圖11分別是切削深度為30μm時的加工表面形貌及表面粗糙度情況。可見，由于切深已遠(yuǎn)大于變質(zhì)層深度，單獨(dú)引入冷等離子體射流對表面質(zhì)量的改善效果不明顯，干式微銑削、氮?dú)廨o助微銑削、冷等離子體射流輔助微銑削所得表面形貌及Ra相差不大，但冷等離子體射流的親水改性作用仍可促進(jìn)MQL冷卻介質(zhì)浸潤切削區(qū)域。因此，冷等離子體射流+MQL復(fù)合輔助微銑削所得表面質(zhì)量明顯更好，表面粗糙度值相比干式微銑削、MQL輔助微銑削均明顯降低。

圖10 切削深度30μm時的加工表面形貌

圖11 切削深度30μm時的加工表面粗糙度

3.2 切削力

切削力對工件表面質(zhì)量、刀具壽命均有較大影響。本文采用三向測力儀分別測量了切削深度為10、30μm時的各向切削力。圖12是切削深度為10μm時的測量結(jié)果?？梢?，單獨(dú)引入冷等離子體射流進(jìn)而促進(jìn)純鈦材料斷裂，可有效降低各向切削力。當(dāng)切削區(qū)域存在MQL冷卻介質(zhì)時，由于切削區(qū)域的冷卻效果較好，切削溫度明顯下降，材料的硬度和強(qiáng)度有所提高，導(dǎo)致切削力增大。

圖12 切削深度10μm時的切削力

切削深度增加至30μm的切削力測量結(jié)果見圖13?？梢?，隨著切削深度增加，銑削過程中的變形抗力及摩擦阻力均有所提高，此時MQL與冷等離子體射流復(fù)合輔助對切削區(qū)域的潤滑效果更明顯，與溫度下降、材料硬度強(qiáng)度提高所引起的切削力增加效果相平衡，故切削力無明顯變化。由于影響深度有限，單獨(dú)采用冷等離子體射流輔助微銑削難以有效降低切削力，切削力與干式微銑削相近。

圖13 切削深度30μm時的切削力

3.3 刀具磨損

在純鈦材料的加工過程中，隨著刀具磨損，切削力逐漸增大、切削溫度升高；磨損嚴(yán)重時會產(chǎn)生振動，導(dǎo)致表面質(zhì)量急劇惡化。因此，刀具磨損直接影響加工的效率、質(zhì)量及成本。而在微銑削過程中，后刀面磨損是銑刀磨損的主要形式。

本文分別在干式微銑削、冷等離子體射流復(fù)合MQL輔助微銑削加工條件下開展試驗(yàn)，在切削深度為10μm條件下，銑削500 mm后觀測不同加工條件下的銑刀后刀面微觀形貌，判斷刀具磨損狀態(tài)。由圖14可見，在干式微銑削過程中，切屑黏附于后刀面難以被有效去除，導(dǎo)致切削力增大、刀具磨損加劇、表面質(zhì)量惡化；而在冷等離子體射流及MQL冷卻介質(zhì)復(fù)合作用下，切屑黏附現(xiàn)象有明顯緩解，后刀面較光潔平整。

圖14 不同條件下的微銑刀后刀面形貌

4 結(jié)論

純鈦材料因其優(yōu)異的性能得到廣泛應(yīng)用，但因材料的導(dǎo)熱性差、塑性高，導(dǎo)致加工表面質(zhì)量較差。本文提出采用大氣壓冷等離子體射流輔助微銑削加工純鈦，對射流輔助切削作用機(jī)理及其對加工過程改善效果開展試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

（1）純氮?dú)猱a(chǎn)生的冷等離子體射流親水性改性效率較低，若在氮?dú)庵谢烊胨?，能有效提高冷等離子體射流的親水性改性效率，可在20 s內(nèi)將純鈦表面處理為超親水狀態(tài)，適用于輔助加工過程。

（2）冷等離子體射流可在純鈦材料表面形成厚度約1.9μm的變質(zhì)層，在拉伸過程中可降低純鈦材料的拉伸強(qiáng)度和斷后伸長率，促進(jìn)拉伸樣片發(fā)生斷裂。

（3）當(dāng)切削深度為10μm時，單獨(dú)引入冷等離子體射流，即可有效提高微銑削純鈦所得表面質(zhì)量；當(dāng)切削深度增加至30μm時，由于變質(zhì)層深度有限，冷等離子體射流對材料力學(xué)性能的調(diào)控效果難以體現(xiàn)，但當(dāng)切削區(qū)域存在MQL冷卻介質(zhì)時，冷等離子體射流通過親水性改性作用可促進(jìn)MQL冷卻介質(zhì)浸潤，進(jìn)一步改善加工表面質(zhì)量。在冷等離子體射流及MQL冷卻介質(zhì)復(fù)合作用下，銑刀后刀面的切屑黏附有明顯緩解。