难加工材料绿色切削：液氮冷却对TC18钛合金表面质量提升机制，及微量润滑/液氮/液态CO₂/低温冷风四种策略在TC4/TC6/TC17/Inconel718上的效果对比与工艺数据库构建

钛合金因高比强度(强度/密度比高达22~26MPa·cm³·g⁻¹)、强耐蚀性、良好的耐高温低温性能(使用温度范围-253℃~600℃)等特点，被广泛应用于航空发动机关键构件、飞机结构件以及石油测井装备等高端制造领域，已成为极端服役环境下不可替代的关键结构材料[1-3]。但钛合金具有低弹性模量(约为113GPa)和低热导率(约为7.5W m⁻¹·K⁻¹)的特性，导致其在常规切削加工中存在切削热积聚严重，切削区域温度可达1000℃，加工表面易产生微观裂纹、塑性变形加剧等质量问题[46];同时，切削过程中热一力耦合作用会加剧刀具与加工表面的摩擦磨损，使表面粗糙度增大、微观组织塑性变形程度加重，从而直接影响工件的服役性能与使用寿命[7-8]。

为改善难加工材料的切削性能并提升加工表面质量，国内外学者围绕冷却介质与切削参数对表面质量的影响开展了系统研究[9-11]。在TC4钛合金微量润滑铣削研究中发现，与干切削相比，微量润滑可使表面粗糙度降低10%[12]。在液氮冷却条件下切削镁合金和Inconel718镍基合金的结果表明，相较于切削液冷却，液氮冷却(-196℃)不仅使表层晶粒发生细化，还能减少表面微观缺陷，使两种材料的表面粗糙度分别降低17%和2.27%[13-14]。而采用液态二氧化碳冷却(-79.5℃)、浇注式冷却与微量润滑等不同条件切削镍铬合金时，表面粗糙度分别降低42%~47%、24%~27%和16%~21%[15]。此外，与常规切削相比，使用低温冷风(-27℃)微量润滑切削TC6钛合金时，可显著减少表面缺陷，表面粗糙度降低19%[16]。同时，切削参数对表面质量也有一定的影响，在TC4钛合金车削试验中发现，进给量对表面质量的影响最为显著，表面粗糙度与表层微观组织塑性变形程度均随进给量增大而加剧[17]。而高速铣削TC4钛合金时，随着切削速度的增大，切削温度不断升高，在热一力耦合作用下工件表层微观组织的塑性变形深度增大[18]。同样在高速铣削TC17钛合金的研究中也发现，加工后材料表层微观组织出现晶体破碎与弯折现象，塑性变形层厚度约为10μm[19]。

然而，综合国内外研究现状可以发现:一方面，现有液氮冷却切削研究多集中于α+β型钛合金(如TC4、TC6)，针对高强度β型TC18钛合金在液氮超低温冷却条件下的系统研究仍较为缺乏;另一方面，现有研究对表面完整性的表征多局限于表面粗糙度单一指标，对于亚表层微观组织变形深度的关联分析尚不充分。为此，本文以力学性能优异但热导性更差的TC18钛合金为研究对象，采用单因素切削试验，系统研究液氮冷却条件下切削参数对TC18钛合金加工表面完整性的影响规律。通过对比液氮冷却与乳化液冷却两种工况下的加工效果差异，阐明液氮冷却在降低表面粗糙度、减少表面微观缺陷及调控表层微观组织方面的工艺优势与作用机制，弥补液氮冷却技术在β型钛合金加工领域的应用研究空白。研究结果为TC18钛合金的液氮冷却辅助切削从几何精度控制向表层组织性能主动调控的深化提供工艺优化依据。

1、液氮冷却车削试验方案

加工及温度调试现场如图1所示。TC18钛合金试件为∅45 mm×275 mm棒料，其主要元素成分和物理性能分别见表1和表2[20]。在通风良好的实验室中，采用液氮冷却系统，在CW6163B卧式车床上以0.16MPa的压力向工件加工区持续喷射气化液氮，流量为3L·min⁻¹，通过低温测控仪和液氮压力阀调控射流温度约-196℃，液氮喷嘴距刀具切削刃约5cm。采用WNMG080404-HL硬质合金涂层(AlTiN复合涂层)刀具，其槽型为HL，刀尖半径为0.4mm,前角为负值，后角为0°。通过单因素试验法逐次对钛合金试件进行外圆车削，每段切削长度为10mm，为建立液氮冷却与乳化液冷却两种工况的对比基准，在乳化液冷却条件下开展3组与液氮冷却切削参数相同的对比试验，选用DRK-5011半合成切削液作为冷却润滑介质。试验方案见表3，切削参数的选择基于机床能力与工件尺寸，采用半精加工参数进行加工。

试验结束后，采用HYBRID+激光显微镜对各组加工表面进行微观形貌分析，在每条车削带中部沿轴线方向等间距选取3个点测量表面粗糙度，取平均值作为该加工参数下的表面粗糙度值。为开展试件表面微观组织特性分析，将每组加工表面沿横截面切割为10mm×10mm×5mm的样块,依次进行镶嵌、研磨、抛光和腐蚀(2%HF、4%HNO₃、94%蒸馏水)处理，采用奥斯微M230-3M180金相显微镜分析样件加工表层至基体的微观晶粒组织及塑性变形层深度。

表1 TC18钛合金主要元素成分(wt%)

表2 TC18钛合金主要物理性能

表3 试验方案

2、试验结果分析

2.1 液氮冷却条件下切削参数对二维表面粗糙度的影响

材料表面粗糙度直接影响工件的装配精度、疲劳特性、耐磨性及耐腐蚀性等使用性能，钛合金材料在切削过程中，其表层微观组织的塑性变形会显著影响表面粗糙度，进而对加工质量和使用寿命产生重要影响。表面粗糙度包含二维表面粗糙度和三维表面粗糙度。其中，二维表面粗糙度Ra是表面轮廓算术平均偏差，即线粗糙度;三维形貌粗糙度Sa、Sq是表面轮廓高度算术平均偏差和均方根高度，即面粗糙度。相较于线粗糙度Ra仅反映沿单一取样方向的轮廓特征，面粗糙度Sa可表征加工表面区域整体的三维微观形貌特征，对加工表面质量的表征更为准确和全面[21]。

图2展示了不同切削参数下的二维表面粗糙度Ra。总体而言，在相同切削参数下，与乳化液冷却切削相比，液氮冷却切削在改善TC18钛合金加工表面质量方面展现出显著优势。从冷却机制角度分析，乳化液冷却主要依靠对流换热降低切削区温度，其冷却效率受限于液体的膜态沸腾效应;而液氮冷却(-196℃)利用超低温介质的强制对流与相变换热，不仅冷却强度远高于乳化液，还能使切削区材料产生显著的低温脆化效应，从根本上改变材料在切削过程中的热力学响应行为。具体而言，在切削速度、进给量和切削深度3个参数条件下，液氮冷却使二维表面粗糙度Ra分别平均降低了20.25%、11.51%和23.18%。分析表明，在液氮冷却条件下，各参数对二维表面粗糙度Ra影响的主次顺序为进给量>切削速度>切削深度。

从图2所示变化趋势分析，二维表面粗糙度随切削速度增大而减小，随进给量和切削深度增大而增大，其中进给量是影响二维表面粗糙度最显著的几何因素。这一现象可归因于:液氮的强冷却作用能有效降低材料加工表面的塑性变形程度，使材料的塑性降低，即工件表层材料塑性流动程度减小，从而降低已加工二维表面粗糙度。同时，切削速度增大有利于提高切削区材料的应变率，在低温条件下进一步增强材料的脆性断裂倾向，使切屑更易于以脆性断裂方式剥离，减少黏附与撕裂对表面质量的不利影响。因此，在较高切削速度下，液氮的冷却效果更为明显，有利于获得更优的表面质量。

2.2 液氮冷却条件对表面微观形貌的影响

冷却条件及切削参数对已加工表面微观形貌的影响如图3所示，左侧为二维形貌图，右侧为三维形貌图。三维形貌图中不同颜色代表不同的残留高度值，残留值越高且占比越大，表明表面三维形貌越差，红色区域表示残留高度较高(波峰)，蓝色区域则表示较低(波谷)。对比图3a和图3b可知，液氮冷却切削能够有效减少二维形貌中的黏屑与划痕等表面缺陷。其主要原因在于:一方面，液氮的超低温特性显著降低了切削区域产生的切削热，使剪切滑移剥离区域的表层材料迅速冷脆，加快了切屑分离，改善了切屑与刀具前刀面的黏附状态，减小了刀具磨损，从而抑制了划痕、黏屑等表面缺陷的产生;另一方面，钛合金导热性较差，乳化液冷却切削时加工区域刀具与工件的热一力耦合作用较强，不仅导致表层材料发生热软化(塑性变形)，还加速了刀具磨损，最终使表面缺陷不断增加[22-24]。此外，乳化液冷却条件下，冷却液在高温切削区的渗透能力有限，难以有效进入刀一屑界面的紧密接触区，冷却与润滑效果受限;而液氮以射流形式喷射，气化后的氮气可渗透至切削区的微细间隙，形成更均匀的低温环境，对减少黏屑和划痕更为有效。

与乳化液冷却切削相比，液氮冷却切削下的表面三维形貌整体起伏幅度较小，面粗糙度Sa降低了38.77%，表征表面整体起伏程度的均方根粗糙度Sq降低了50.33%，这是因为液氮冷却切削能够减小刀具对工件的摩擦作用，抑制表面组织的塑性流动，改善加工表面的犁沟效应，从而获得更优的表面微观形貌。从表面完整性对服役性能的影响角度，表面形貌的改善直接关系到工件的疲劳性能:较低的Sa值和较小的表面起伏幅意味着应力集中系数降低，这对于承受交变载荷的TC18钛合金结构件至关重要。

对比图3b~图3d可知，当进给量从0.15mm·r⁻¹增大至0.2mm·r⁻¹时，表面三维形貌起伏明显加剧，表征波峰和波谷的红蓝区域较为显著，三维表面粗糙度Sa从0.308μm增大至0.407μm(增幅为32.47%)，Sq从0.378μm增大至0.598μm(增幅为58.2%)。这是因为进给量直接影响微观形貌的塑性变形，其增大会使切削间距增大，导致加工表面整体起伏程度上升，同时进给量增大会引起切削力上升，在热一力耦合作用下更易诱发材料的塑性流动，从而形成更显著的波峰与波谷。

当切削深度从0.6mm增大至0.8mm时，表面三维形貌的整体起伏程度相对缓和，红蓝区域虽有增加但不显著，三维表面粗糙度Sa从0.308μm增大至0.348μm(增幅为13%)，Sq从0.378μm增大至0.434μm(增幅为14.82%)，表明切削深度变化对三维表面粗糙度的影响程度小于进给量。这是由于切削深度增大主要影响切削力和切削热，对加工表面的微观形貌影响较小。

综上所述，相较于乳化液冷却切削，液氮冷却可显著减小表面缺陷与表面微观形貌的变形程度，并在切削速度v=19.1m·min⁻¹、f=0.15mm·r⁻¹、ap=0.6mm时，可获得更优的三维表面粗糙度，各参数对表面三维形貌影响依次是进给量>切削深度，这与二维表面粗糙度Ra的变化趋势一致，表明进给量是影响表面微观形貌的首要因素。

2.3 液氮冷却条件下切削参数对表层微观组织的影响

2.3.1 切削速度对表层微观组织变化的影响

图4所示为在固定进给量(f=0.15mm·r⁻¹)与切削深度(ap=0.6mm)条件下,不同切削速度(10.6m·min⁻¹、14.1m·min⁻¹、19.1m·min⁻¹)对应的液氮冷却切削试件表层微观组织特征。通过对比变形层与未变形基体的组织分界，可确定塑性变形层深度δ。判断准则主要依据以下微观组织特征变化:靠近加工表面的材料组织沿切削方向发生明显的晶粒扭曲、拉长等塑性变形形貌，与保持完整、均匀等轴晶组织的基体形成鲜明对比，二者之间的界面即为塑性变形层的边界。

分析结果表明，在切削速度为10.6m·min⁻¹时，塑性变形层深度δ最大，约为9.3μm;当切削速度提高至14.1m·min⁻¹和19.1m·min⁻¹时，δ分别为8.5μm和8.2μm，降低幅度分别为8.6%和11.8%，整体变化范围在9μm以内，在切削速度为19.1m·min⁻¹时可获得较小的塑性变形层深度。这表明在液氮冷却条件下，仅改变切削速度对塑性变形层深度的影响并不显著。该现象主要归因于液氮的强冷却效应，使加工区域材料产生显著的冷脆效应，有效抑制了由切削热引发的热塑性变形趋势。同时，在10.6~19.1m·min⁻¹的切削速度范围内，产生的切削热量有限，液氮的冷却能力足以有效抑制该热量，使得切削速度提升带来的热增量被充分抵消。

与乳化液冷却切削进行对比，液氮冷却表现出明显优势。对比图4c与图4d可得出，在相同切削参数下(v=19.1m·min⁻¹、f=0.15mm·r⁻¹、ap=0.6mm)，液氮冷却使表层微观组织的塑性变形深度降低15.46%。这是因为乳化液冷却切削时会产生大量切削热，而较高的切削热会引起表层出现热软化效应并占据主导作用，抑制了表层材料塑性变形向内部扩展，所以加工表层材料塑性变形层深度范围有限;而液氮冷却切削时，表层热软化效应被抑制，应变强化作用占据主导，表层材料塑性降低，变形被限制在较窄区域，造成表层材料塑性变形特征更加显著，塑性变形层深度减小。这进一步验证了液氮冷却切削能够有效抑制表层材料塑性变形程度。

2.3.2 进给量对表层微观组织变化的影响

图5和图4c展示了在固定切削速度(v=19.1m·min⁻¹)与切削深度(ap=0.6mm)条件下，进给量从0.1mm·r⁻¹增大至0.2mm·r⁻¹时，液氮冷却切削与乳化液冷却切削两种工况下材料表层的微观组织演变。可以发现，进给量f=0.1mm·r⁻¹时可获得较小的塑性变形层深度，而随着进给量的增大，表层塑性变形显著加剧，表现为表层微观组织沿切削方向拉长、扭曲的程度加剧，塑性变形层深度δ从约6μm增大至10.7μm。该变化趋势表明，进给量是影响塑性变形深度的主导因素，根据切削力学原理，进给量增大直接导致切削截面积(Ac=ap×f)增大，进而使切削力(Fc≈Kc×ap×f)近似呈线性上升[17]。尽管液氮冷却能有效抑制切削区域的热积累，但其对由几何与力学因素直接决定的切削力增强趋势影响有限。因此，在较大进给量下，即使处于低温环境，显著增大的切削力仍对表层材料施加更强烈的剪切与挤压作用，从而引发更深的塑性变形层。

而在f=0.2mm·r⁻¹时，对比图5b和图5c可以看出，液氮冷却工况下的塑性变形层深度与乳化液冷却切削下相近，表明在较大进给量下，大切削力主导了材料的塑性变形行为，液氮冷却对表层组织塑性变形深度的抑制效果受到力学因素的制衡。但二者表层材料的塑性变形特征有所差异:液氮冷却切削条件下，塑性变形层的晶粒组织更为细小，变形层与基体的过渡区域更为陡峭;乳化液冷却条件下，变形层与基体之间存在较宽的过渡区，呈现更明显的梯度变形特征。造成这种差异的原因在于，液氮冷却条件下，低温脆化效应使塑性变形更集中于表层浅区域，变形梯度增大;乳化液冷却下的热软化效应使塑性变形可以沿深度方向更平缓地传递。

2.3.3 切削深度对表层微观组织变化的影响

图6和图4c展示了在固定切削速度(v=19.1m·min⁻¹)与进给量(f=0.15mm·r⁻¹)的条件下，切削深度从0.4mm增大至0.8mm时，液氮冷却切削和乳化液冷却切削两种工况对表层微观组织塑性变形深度的影响。δ值随切削深度增大呈线性上升趋势，在切削深度为0.8mm时达到最大值(约为8.5μm)。这是因为在切削深度从0.4mm增大至0.8mm的过程中，切削力与切削热随切削截面积的扩大呈近似线性增长，其主导作用暂时超过液氮冷却的抑制能力，导致塑性变形加剧，δ值相应增大。而当切削深度为0.8mm时，液氮冷却切削下的塑性变形层深度较乳化液冷却切削下降约10.53%，由此证实相同切削深度下，液氮冷却切削能够显著抑制材料塑性变形程度。

3、结论

(1)液氮冷却作为一种主动调控加工区域材料物理状态与材料去除机理的工艺方法，能够有效满足TC18钛合金对车削表面低粗糙度与良好表层组织完整性的要求。与乳化液冷却切削相比，液氮冷却可使二维表面粗糙度Ra降低11.51%~23.18%，三维表面粗糙度Sa降低38.77%，并显著改善表面三维形貌的均匀性，表层微观组织的塑性变形层深度δ可减少10.53%~15.46%。其核心作用机理在于:液氮冷却条件显著抑制了切削区热积聚与积屑瘤的形成，使材料局部产生冷脆效应，促进切屑脆性断裂与剥离，并限制了热一力耦合效应向材料次表层的传递，从而提升了加工表层的微观组织完整性。

(2)在液氮冷却条件下，各切削参数对表面质量的影响程度依次为进给量>切削速度>切削深度。进给量直接影响理论微观形貌高度和切削力大小，是决定表面粗糙度、三维形貌及塑性变形层深度的最主要因素。在本研究设定的切削参数范围内，以表面粗糙度与表层微观组织形貌为优化目标时，最优工艺参数组合为:切削速度v=19.1m·min⁻¹、进给量f=0.1mm·r⁻¹、切削深度ap=0.4mm。该最优工艺参数用于TC18钛合金液氮冷却车削的半精加工阶段能够获得优良的表面完整性，将该技术移植到加工中心上具有一定的工程应用价值。

(3)液氮冷却能有效缓解但无法完全抵消进给量增大对表面质量的负面效应。而切削深度对塑性变形层的影响呈现单调递增特征:随着切削深度从0.4mm增大至0.8mm，变形层深度逐渐增大，并在ap=0.8mm时达到最大值(约为8.5μm)，但与乳化液冷却相比，液氮冷却在不同切削深度下的变形层抑制率保持稳定，约为10.53%。后续研究可进一步探究更低进给量(f<0.1mm·r⁻¹)与其他冷却策略(如液氮+微量润滑复合冷却)对表面完整性的协同优化效果，并建立面向工程应用的工艺参数数据库。

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（注，原文标题：切削参数对TC18钛合金液氮冷却车削表面完整性的影响研究_张钊源）