TC4钛合金是一种具有良好的力学性能、耐高温性、耐腐蚀行等优异性能的金属材料,也被称为未来金属,广泛应用于航空航天、国防科技、生物医疗等领域。但钛合金的硬度、强度、塑性和韧性高且导热性差,因而可加工性能较差,属于典型难加工材料。由此,TC4钛合金加工过程中存在切削温度高、切削力大、断屑困难、切削速度难以提高和刀具快速磨损等问题,导致已加工表面产生微裂纹和加工硬化层,进而导致表面粗糙度差、残余应力大,会形成大量毛刺、高温烧伤和亚表面损伤严重影响零件的表面完整性和使役性能。对此,人们常采用改善切削区域状况的冷却润滑方法来保证钛合金的高效率、高精度和高质量加工。

近年来,微量润滑(minimalquantitylubrication,MQL)作为一种新型润滑方式常用于机械加工,是通过压缩气体将切削液雾化冲入刀工界面,起到加工润滑的作用。

虽然微量润滑能解决大量使用浇注式冷却润滑液的问题,但是由于切削液的量较少,还存在润滑不足的瓶颈。为解决该问题,有研究者采用等离子清洗耦合微量润滑作为冷却条件,由于等离子体中富含大量活性粒子,并被证明能调控材料特性,可降低切削液在工件表面的接触角,加快切削液在工件表面铺展,不会损伤材料。

等离子清洗

等离子体中的主要成分包含未电离的气体分子、带电离子、电子以及各种自由基。等离子体清洗技术就是通过利用这些活性组分的性质来处理样品的表面,通过使用等离子体发生器的激发,使反应气体发生电离,与待清洗样件表面的污染物进行一系列反应将污染物去除,从而达到清洗效果

等离子清洗前后TC4钛合金接触角分析

接触角体现了液体在工件表面的润湿性,能表示液体在工件表面的铺展状态。接触角越小,则切削液在切削界面铺展效果越好,切削润滑效果越好。

图1 钛合金等离子清洗后的生物油接触角

图1是等离子清洗处理后的钛合金表面生物油接触角变化情况。可见,未经等离子清洗处理前,TC4钛合金表面的生物油接触角为36.6°;经过等离子体清洗5s后,TC4钛合金表面的生物油接触角降低到26.5°;经过20s的等离子清洗后,该接触角降低到11.4°。说明等离子清洗能有效降低TC4钛合金表面的液体接触角,增强其表面润湿性,促进生物油在切削界面的铺展。