不同前角金刚石刀具超精密切削钛合金的材料去除力学行为及润滑模式影响研究

为解决钛合金TC4在超精密加工中因低导热性和强化学活性导致的切削力预测不准确问题，研究人员结合Oxley切削模型与Johnson-Cook本构模型，提出动态摩擦系数修正的切削力预测框架，实验验证平均误差仅8.23%，揭示前角与纳米润滑最小量润滑（NMQL）协同优化表面质量的机制。

　　

钛合金TC4（Ti-6Al-4V）因其高比强度和耐热性，被广泛应用于航空航天光学元件的超精密加工。然而，其低导热性、与刀具的强化学反应性以及显著的工作硬化倾向，使得加工过程中面临切削力波动大、表面质量难以控制的挑战。现有预测模型往往忽略机械、摩擦和流体动力场的耦合效应，限制了其适用性和预测精度。针对这一问题，青岛理工大学工业流体节能与污染控制教育部重点实验室的研究团队开展了一项创新研究，成果发表在《Journal of Materials Research and Technology》上。

研究团队采用Oxley切削模型与Johnson-Cook本构模型相结合的方法，构建了切削力预测框架，并通过实验验证了模型的准确性。关键技术包括：单晶金刚石刀具超精密切削实验、Kistler 9256C测力仪动态力测量、纳米润滑最小量润滑（NMQL）系统优化，以及场发射扫描电镜（SEM）对切屑形貌的表征。

1. 切削力分布与材料控制方程

通过正交切削力分解，量化剪切力F_s与摩擦系数μ的关系，发现负前角（-30°）使切削力增加45.2%，而NMQL可降低摩擦系数至0.387。Johnson-Cook模型参数（如硬化模量B=498 MPa）有效表征了TC4的热软化效应。

2. 实验验证与结果分析

在1 m/min切削速度下，模型预测误差最低为3.54%（-10°前角）。NMQL使划痕深度较干切削减少19.5%，证实纳米颗粒（MoS₂/Fe₃O₄）的润滑膜可抑制材料撕裂。

3. 划痕深度与切屑形成

SEM显示，0°前角下切屑呈均匀螺旋状，而-30°时出现脆性断裂。NMQL使切屑曲率半径减小，剪切带间距缩短，表明其稳定塑性流动的作用。

结论与意义

该研究首次系统量化了前角与NMQL对TC4切削行为的协同影响：负前角加剧犁削效应，而NMQL通过纳米颗粒填充微观间隙降低划痕深度。模型为航空航天高精度零件加工提供了理论依据，提出的动态摩擦系数修正方法可推广至其他难加工材料。未来研究可聚焦新型纳米润滑剂开发及刀具拓扑优化设计，以进一步提升加工效率。