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TC4鈦合金是一種具有良好的力學性能、耐高溫性、耐腐蝕行等優異性能的金屬材料,也被稱為未來金屬,廣泛應用于航空航天、國防科技、生物醫療等領域。但鈦合金的硬度、強度、塑性和韌性高且導熱性差,因而可加工性能較差,屬于典型難加工材料。由此,TC4鈦合金加工過程中存在切削溫度高、切削力大、斷屑困難、切削速度難以提高和刀具快速磨損等問題,導致已加工表面產生微裂紋和加工硬化層,進而導致表面粗糙度差、殘余應力大,會形成大量毛刺、高溫燒傷和亞表面損傷嚴重影響零件的表面完整性和使役性能。對此,人們常采用改善切削區域狀況的冷卻潤滑方法來保證鈦合金的高效率、高精度和高質量加工。

近年來,微量潤滑(minimalquantitylubrication,MQL)作為一種新型潤滑方式常用于機械加工,是通過壓縮氣體將切削液霧化沖入刀工界面,起到加工潤滑的作用。

雖然微量潤滑能解決大量使用澆注式冷卻潤滑液的問題,但是由于切削液的量較少,還存在潤滑不足的瓶頸。為解決該問題,有研究者采用等離子清洗耦合微量潤滑作為冷卻條件,由于等離子體中富含大量活性粒子,并被證明能調控材料特性,可降低切削液在工件表面的接觸角,加快切削液在工件表面鋪展,不會損傷材料。

等離子清洗

等離子體中的主要成分包含未電離的氣體分子、帶電離子、電子以及各種自由基。等離子體清洗技術就是通過利用這些活性組分的性質來處理樣品的表面,通過使用等離子體發生器的激發,使反應氣體發生電離,與待清洗樣件表面的污染物進行一系列反應將污染物去除,從而達到清洗效果

等離子清洗前后TC4鈦合金接觸角分析

接觸角體現了液體在工件表面的潤濕性,能表示液體在工件表面的鋪展狀態。接觸角越小,則切削液在切削界面鋪展效果越好,切削潤滑效果越好。

圖1 鈦合金等離子清洗后的生物油接觸角

圖1是等離子清洗處理后的鈦合金表面生物油接觸角變化情況。可見,未經等離子清洗處理前,TC4鈦合金表面的生物油接觸角為36.6°;經過等離子體清洗5s后,TC4鈦合金表面的生物油接觸角降低到26.5°;經過20s的等離子清洗后,該接觸角降低到11.4°。說明等離子清洗能有效降低TC4鈦合金表面的液體接觸角,增強其表面潤濕性,促進生物油在切削界面的鋪展。