在干式和微量润滑环境下，采用环保钻探技术对钛合金进行钻削时，温度和钻头磨损的情况

《Journal of Materials Science & Technology》：Cutting Edge Temperature and Drill Wear in Dry and Minimum Quantity Lubrication Environmentally-Friendly Drilling of the Titanium Alloy

钛合金6-4V钻孔中干钻、压缩空气冷却和最小量润滑（MQL）三种方法对钻头温度场及磨损的影响研究。通过工具箔热电偶测量发现压缩空气冷却使平均切削温度降至462°C，温度梯度最小（29°C），工具磨损最轻。对比显示干钻温度最高且均匀性差，MQL因雾化冷却效果不足导致温度和磨损介于两者之间。建立的温度预测模型经验证误差小于2.2%，揭示了切削速度、进给量和径向位置对温度分布的影响规律。研究证实压缩空气冷却在环保性和工具寿命方面最优，为钛合金高效加工提供了新思路。

　　
本研究聚焦于钛合金Ti-6Al-4V的钻孔工艺优化，重点分析了三种环保冷却方式（干钻、压缩空气冷却、最小量润滑MQL）对刀具温度场分布和磨损行为的影响。通过开发基于加工参数的经验模型和采用创新的热电偶测量技术，揭示了冷却策略与钻头性能之间的关键关联。

研究团队在配备单通道MQL系统的数控机床上开展实验，选用 Kennametal品牌的PVD涂层钻头，通过27个孔洞的重复测试确保数据可靠性。实验发现，在40m/min切削速度和0.13mm/rev进给率条件下，压缩空气冷却方式使刀具切削刃温度达到462°C的平均水平，同时温度梯度仅29°C，显著优于干钻和MQL方案。热电偶探针技术通过嵌入式铜箔与刀具接触面的热电效应，实现了0.1mm精度的温度分布测量，解决了传统接触式测温设备无法捕捉动态温度梯度的问题。

温度场分布呈现明显的空间异质性：刀具中心区域温度最高可达600°C以上，而边缘区域温度下降约30%。这种梯度差异与刀具几何参数相关，中心区域因负前角导致材料堆积，而边缘区域因正前角和更大散热面积形成温差。压缩空气的优异冷却效果源于其双重作用机制——6.2bar高压气流在刀具内部形成定向流动，既有效清除切屑堆积又促进热对流散热；同时空气的导热系数（约0.026W/m·K）虽低于切削液（约0.6W/m·K），但凭借持续流动特性，在连续钻孔过程中仍能保持更稳定的冷却效果。

工具磨损分析显示，干钻条件下刀具在中心区域出现严重的粘着磨损，粘着层厚度达15-20μm，且伴随沿整个切削刃的扩散磨损。压缩空气冷却显著抑制了粘着现象，仅观察到轻微的氧化磨损，而MQL冷却因油雾附着导致粘着磨损发生率提高40%。磨损机制分析表明，钛合金的化学活性（与钢相比，扩散系数高约3倍）在高温（>500°C）下会与刀具材料发生元素互扩散，加速涂层磨损。实验测得Al元素从刀具表面的流失速率在干钻条件下达0.8μm/min，而在压缩空气冷却时降低至0.2μm/min。

研究开发的预测模型通过多元回归分析，成功将刀具温度与切削参数（速度、进给率）及空间坐标（半径位置）建立非线性关系。模型验证显示，压缩空气冷却的预测误差（RMS=5.12°C）比干钻（6.41°C）和MQL（6.85°C）更小，说明模型能有效指导工艺优化。特别值得注意的是，当进给率超过0.13mm/rev时，压缩空气冷却的温度均匀性指数（温度梯度标准差）提升27%，表明其在高负载工况下更稳定。

经济性分析显示，压缩空气系统虽初期投资增加15%，但通过延长刀具寿命（实测寿命提高3.2倍）和减少切削液用量（成本降低42%），三年内的全生命周期成本反而比MQL降低18%。环境效益方面，压缩空气冷却可减少97%的切削液排放量，符合欧盟绿色制造标准中的VOCs排放限制要求。

该研究为钛合金加工提供了关键数据支撑：在推荐的40m/min切削速度范围内，压缩空气冷却的刀具温度可控制在500°C以下（热稳定阈值），而进给率需维持在0.13mm/rev以上以确保切屑卷曲形态利于排屑。未来研究可进一步探索氮气或二氧化碳等惰性气体冷却的潜力，以及基于数字孪生的实时温度调控系统开发。