钛合金Ti-6Al-4V低温能量消耗图对绿色制造的可持续性和效率提高的影响

工程科学与技术，国际期刊41（2023）101357用能量图法Muhammad Ali Khana，b，Syed Husain Imran Jafferyb，Mushtaq Khanba巴基斯坦伊斯兰堡44000，国立科技大学（NUST），H-12区，机械工程系b巴基斯坦伊斯兰堡44000，国立科技大学机械与制造工程学院（SMME），H-12区阿提奇莱因福奥文章历史记录：2022年10月1日收到2022年12月26日修订2023年1月27日接受保留字：Ti-6Al-4V低温车削能源消耗图可持续加工绿色制造A B S T R A C T制造系统的可持续性对其整体效率和产量至关重要。这个问题在加工难以切削的钛合金过程中变得更加相关，因为钛合金会消耗过多的能量。工艺图是为工艺设计者提供重要材料可加工性信息的有效工具。由于钛合金的大量使用，它们的分布很好，但仅在干燥条件下。目前的研究重点是在低温条件下采用单点车削钛合金Ti-6Al-4V的能耗图的发展。与传统冷却剂相反，低温冷却以其对绿色制造的便利而闻名。切削速度和进给速度作为可变的加工参数在一个广泛的频谱使用全析因实验设计。能量消耗由于其与机床无关的性质而由比切削能表示。地图区域划分为低、中、高能量区。对开发的新地图的分析揭示了加工的基本机理，并对影响能耗的因素提供了更深入的了解。能量消耗被发现是更依赖于切削速度比进给速度。在低温条件下，由于滑移区的减小，刀屑接触长度减小。切屑形态分析表明，切屑剪切角和压缩比随着切削速度的增加而减小，低温图的重要性还在于其在车间的实用性，除了其可持续性和环境友好性外，还可用于选择最佳加工参数以提高生产率。与干能源地图相比，观察到能源减少高达16%，这突出了低温能源地图的可持续性。低温能量图的效用也可以从这样一个事实中确定，即通过仔细选择适当的加工参数，在材料去除率方面，生产率可以提高156%。总的来说，开发的低温地图是制造系统的重要资产，因为它共同服务于可持续性和清洁生产的目的©2023 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍能源消耗一直是制造业的一个重要课题[1]。不断增长的工业规模和能源资源的枯竭突出了能源优化和建模的必要性。工业设施消耗了全球能源消耗总量的一半以上，其中85%归因于制造业[2]。机械加工约占制造业总能耗的83%。* 通讯作者：机械工程系（CEME），国立科技大学（NUST），部门H-12，伊斯兰堡44000，巴基斯坦。电子邮件地址：mak. ceme.nust.edu.pk（硕士）Khan）。由Karabuk大学负责进行同行审查。各部门所占份额的图示如图1所示。能源消耗的影响是深远的。除了明显的经济影响外，特别是在能源资源迅速枯竭之后，这种能源消耗具有不利的环境影响。据估计，制造业能源消耗占全球二氧化碳排放量的13%[3]。对人类健康的有害影响也是一个重大关切。不用说，这种情况与绿色制造的概念制造业在执行各种过程中消耗了大量资源[4]，这对可持续性的基本概念产生了不利影响。在某些情况下，加工零件的重量约为初始工件重量的5%[5]。 这可能导致大量的能源消耗。分析https://doi.org/10.1016/j.jestch.2023.1013572215-0986/©2023 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchM.A. 作者：Syed Husain Imran Jaffery和M.汗工程科学与技术，国际期刊41（2023）1013572命名法缩写和符号apCCREDSflcLPMlsMRR切削深度（mm）切屑压缩比电子色散X射线进料速率（mm/rev）切屑接触长度升/分钟（流量）螺旋切割长度（mm）材料去除率（cm3/s）RSCESEMt tcVVBu磨损率比切割能量扫描电镜切割时间切屑厚度切割速度（m/min）侧面磨损（mm）剪切角图1.一、能源消费分布[2]（a）全球能源消费（b）制造业能源消费。加工过程中的能量消耗表明，只有约15%的总能量是在实际切削操作中扩展的。根据一项估计，在未来20年（直到2040年），能源消耗估计将激增约30%[6]。这突出表明，需要使这一进程更加有效和有利，这是一个非常值得研究的领域[7]。钛合金是各行业的首选材料。其优异的防腐蚀性、高温强度和低密度使其成为广泛应用的理想选择[8]。钛合金Ti-6Al-4V是一种a-b合金，以其M.A. 作者：Syed Husain Imran Jaffery和M.汗工程科学与技术，国际期刊41（2023）1013573优异的物理机械性能如表1所示[9]。Ti-6Al-4V的强度是纯钛的四倍以上。与铝合金相比，Ti-6Al-4V具有更高的强度重量比。此外，与铝合金不同，Ti-6Al-4V可用于高工作温度应用。另一方面，Ti-6Al-4V的密度几乎是Inconel 718的一半。由于这些性能，Ti-6Al-4V是使用最广泛的钛合金。然而，已知钛合金具有差的机械加工性特征。它们的不期望的性质，包括高温强度、低弹性模量和差的导热性，严重影响制造产量[10]。与铝合金不同，高温强度通过减少热软化效应而在高切削速度下导致高能耗。低弹性模量和导热性差等特性也会因高刀具磨损而增加能耗[11]。钛合金的可加工性问题可以通过应用适当的冷却剂来解决选择合适的冷却系统尤为重要，因为冷却系统几乎占制造系统总成本的20%[12]。在其他冷却技术包括MQL和低温技术出现之前，溢流冷却在机械加工中被广泛使用。溢流冷却具有某些加工和后加工问题。首先，传统的洪水冷却剂的成分会造成严重的健康和环境危害[13]。此外，这样的冷却剂产生巨大的废物，然后产生高的处理成本。相反，低温冷却没有这种健康/环境或处置问题[14]，因此符合绿色制造的基本原则。而且，与湿法加工相比，低温加工的工件加工后状态更清洁.除了生态友好的性质，文献还强调了低温加工的可持续性和清洁生产方面。文献突出了与能源消耗有关的各种重要研究。Agrawal等人[15]报告称，在Ti-6Al-4V车削过程中，与干燥和潮湿条件相比，低温条件下的能耗分别降低了9%和61%。最近进行了钛合金（Ti-6Al-4V）激光混合微铣削过程中毛刺形成的分析[16]。对于毛刺高度，方差分析确定切削深度为最显著的参数，向上铣削和向下铣削的贡献率分别为47.49%和45.16%。类似地，在另一项相关研究[17]中，发现冷却条件（干燥、潮湿和低温）显著影响能耗，如方差分析中的贡献率（19.80%）所示。得出的结论是，由于抑制热软化效应，湿式加工导致最高的能量消耗，而低温加工被证明是最可持续的。另一项研究利用微观组织研究分析了Ti-6Al-4V车削过程中新生成切屑和已加工表面[18]. 结果表明，热机械载荷是影响刀具磨损效应引起的塑性行为演变的主要因素在可持续性方面，文献报道低温加工能够减少22%的二氧化碳排放量，与湿加工相比[19]。同一研究强调，在低温条件下，由于功耗（12.6%），刀具寿命（116%）和表面粗糙度（22.1%）的改善，总加工成本降低了27.9%文献还包含通过提供CCS实际状况的概述来研究用于CO2捕获的低温技术的工作[20]结果表明，低温CO2捕集工艺可以很容易地改造现有的工业排放设施。Khan等人[21]在车削Ti-6Al-4V的过程中，以能量消耗、刀具磨损和表面粗糙度为输出参数进行了多目标优化采用干、湿、低温三种切削条件。据报道，开发的多目标函数的低温加工有45%和51%以上的湿和干的条件下，分别增益。换句话说，在低温条件下，制造系统的产量得到了集体提高Krish-namurthy等人[22]采用液氮和乙醇混合金属去除液分析了Ti-6Al-4V的可切削性。结果强调，减少切削力的冷却技术相比，干加工。特别是，切削力，在乙醇混合MRF加工，减少超过65%。在另一项工作中，使用SiAlON陶瓷和AlTiN涂层碳化物刀片对Ti-6Al-4V进行干式和可生物降解油MQL加工[23]。AlTiN涂层的硬质合金刀片被发现导致较低的切削力和接触长度，除了减少切削刃的崩刃。可持续发展和绿色制造的概念是有益的-在很多方面都是。通过优化能耗，可以使加工过程更加高效。此外，机床的能量额定值可以通过使用最佳的切削参数和固有特性来提高效率。与金属切削程序相关的高效机床和测试程序的方法已由国际标准组织（参见ISO 14955-1）定义。在能量建模[24]和能量优化[25]领域进行了大量研究。能源消耗可以通过数学和经验关系来建模，这些关系在理论计算中是准确的。然而，这些模型都有一定的局限性。它们不能应用于复杂的机床，并且在每个能量水平上需要不同的模型[26]。此外，方程中统计系数的计算是一项复杂的任务。能量分析可以在工艺、主轴和机床层面进行。总能量消耗对应于机器水平，而特定的主轴能量与主轴水平即主轴效率有关。工艺水平与实际材料去除过程中消耗的能量有关。它独立于机床或主轴效率低下，因此可用作研究的分析参数[27]。 机器在运行期间表1Ti-6Al-4V与钛和其他航空航天合金的比较[9]。财产材料Ti-6Al-4V钛Ti-6Al-6V-2SnTi-10V-2Fe-3Al铝7075-T6Inconel 718密度（g/cm3）4.434.54.544.652.818.22硬度（HRC）屈服强度（MPa）极限抗拉强度（MPa）30–368809501014022038980105032900970~7（当量）50357238–4411701350断裂韧性（MPa m1/2）延展性（%）弹性模量（GPa）7514113.870541166014110–11020–291171.796.416200导热系数（W/mK）Max. 工作温度（°C）6.731517约1506.63157.8315130–11.4650M.A. 作者：Syed Husain Imran Jaffery和M.汗工程科学与技术，国际期刊41（2023）1013574在大多数能源研究中，Gutowski等人[28]通过考虑不同制造过程中的总功率来分析能耗。从这个术语可以看出，总功率消耗是特定于机床组合的，除非完全相似，否则不能应用于任何其他制造系统。Li和Kara[29]提出了一种通过测量两个步骤消耗的能量的补救方法。在第一步中，进行偏移空气切割，而在第二步中，进行实际切割。它们之间的差异给出了去除材料所消耗的确切功率。该功率独立于机床，可用于功率和能量分析。最近，开发了能量图，与等高线图相比，能量图更加详细和精确，等高线图提供了更广泛的输出响应[30]。能量图是基于比切削能量的，它是刀具-工件相互作用的真实表示。比切削能与机床操作者所采用的切削条件有关，因此可以作为能耗监测和分析的有效工具最早的能量映射工作是在宽范围的切削速度和进给率下对Al6061进行正交车削[31]。在切削速度和进给量的交叉点处绘制了比切削能。将地图区域划分为低、中、高和非常高能耗区域。另一项工作是将切削速度扩展到更高的加工范围[32]。这项工作表明，在切割速度为2000 m/min和进给速度为0.15 mm/rev时，在较低能量区域内出现了高能区域。该区域被标记为避免区域，因为此处的加工会影响工艺的可持续性。然后将类似的方法用于Al6061合金的单点车削[33]。两个地图的比较突出了它们在具有相似的能量区域和发生回避区方面的相互联系。这些图有助于车间的机械师选择最佳切削参数，以获得更高的生产率。另一个好处是它适用于任何机床设计。最近，在干燥条件下开发了钛合金Ti- 6Al-4V车削的能耗图[34]。它绘制了特定的切割能量，并突出了低，中，高能量区。由于文献中的所有能量图都已开发，在干燥条件下进行加工时，低温能量图的潜力还没有被开发出来，这是一个重要的研究空白。鉴于其在可持续性和绿色制造方面的巨大功效，本研究开展了低温条件下钛合金Ti-6Al-4V车削过程能耗工艺图的开发。如上所述，当前工作的研究成果是新颖的和实质性的。所进行的工作的假设是基于这样的事实，即由于钛表现出低的导热性，由于加工，在切削区中积累的热量主要传递到切削工具，从而使其性能恶化。此外，劣化的切削工具的影响以更高的切削能量的形式表现出来。低温介质由于其极低的温度有助于迅速释放产生的热量，从而减少传递到切削工具的热量。因此，从理论上讲，低温加工条件不仅可以减少刀具磨损，而且可以通过保持刀具的完整性来降低比切削能。本研究的研究目标是多方面的。地图的分析将揭示加工的基本机制，并将提供更深入的了解影响能源消耗的因素。低温图的重要性将强调其在车间的实用性，以选择最佳的加工参数，以提高生产率，除了其可持续性和对环境友好的性质。建议的地图与干地图的比较，可以进一步量化的好处，在使用相同的加工参数的低能耗。 成功的-各节将详细讨论正在进行的工作的各个方面。首先，研究动机在第2中强调。第3涉及实验方法的各个方面，包括实验装置、工件/刀具类型和用于测量输出响应的重要输入加工参数的第四是通过公式化试验设计的试验来开发地图。然后，在第5节中使用各种关键参数（包括刀-屑接触长度和切屑形态）对开发的映射进行全面分析。在第6节中，在可持续性方面，将低温条件下开发的地图与现有的干能耗地图制造商建议的切削速度和进给速度范围覆盖在第7中开发的适用性图上。第8的结论突出了重要的研究结果。2. 研究动机不同加工过程的能量分析是一个重要的研究途径。在不同的加工环境下，工业上重要的合金被用于这样的研究。 低温介质的使用使得加工过程能够以高于100 m/min的切削速度进行，以获得更高的生产率，这是各个行业的要求[35]。正如第1节所讨论的，这种方法在绿色制造和可持续性方面都是多方面有益的。其重要性也可以从其与多个可持续发展目标（SDG）相关的事实中衡量[36]。虽然正在进行大量的研究，使用低温加工，然而，在低温条件下的能量消耗的工艺图的不可用性提出了一个显着的研究空白，吸引了本研究的研究动机。研究动机也因其针对前一节中确定的多个研究目标而增强。这样的地图可以是制造业的资产，作为选择最佳加工参数的指导方针，以减少能源消耗的目的。综上所述，在低温条件下绘制的能量消耗过程图被认为具有深远而持久的影响。3. 实验方法3.1. 实验装置在YIDA精密公司生产的数控车削中心上进行了车削实验公司数控车削中心的规格见表2.建立了一个低温装置，用于在实验过程中使用低温介质。低温装置包括低温圆筒XL-160（160 L容量）、真空绝热低温倾析管、低温针阀和两个铜喷嘴（4 mm直径），如图2所示。由于其效率，使用了双喷嘴配置，侧面和前刀面各一个。保持20 psi的压力，其累积了4 LPM的组合流速。由于液氮在钛合金工件和硬质合金刀具上使用表2数控机床规格。Sr. 数量模型ML 3001制造商YIDA Company，台湾2最大 卡盘直径300毫米3控制Fanuc4主轴功率15000瓦5总功率26000瓦M.A. 作者：Syed Husain Imran Jaffery和M.汗工程科学与技术，国际期刊41（2023）1013575图二. 在低温条件下加工的实验装置。[38].液氮由于其惰性和全球可用性也是首选[39]。完整的实验装置包括低温输送系统如图所示。3.第三章。3.2. 工件材料和切削工具由于Ti-6Al-4V在全球范围内的广泛应用，消费如第1节所述。退火Ti-6Al-4V（5级）实心棒用于实验。工件的光发射光谱（结果见表3），以确认其符合Ti-6Al-4V的ASTM B265-15[40]。使用Micro-Vickers硬度测试仪（401 MVD-WOLPERT Group）在322 HV下测量工件的硬度。针对Ti-6Al-4V合金切削加工性差的特点，在刀具选择上给予了适当的考虑。使用山特维克可乐满无涂层硬质合金刀片（如图4（a）所示），因为其具有出色的断裂强度和高耐化学性[41]。加工过程中采用单点车削，如图4（b）所示。图3.第三章。带低温装置的数控车削中心M.A. 作者：Syed Husain Imran Jaffery和M.汗工程科学与技术，国际期刊41（2023）1013576ð Þ ð Þð ÞðÞðÞ¼表3工件材料的化学成分-TiAlVFeCuCR89.945.74.20.150.0030.0023见图4。(a)切削刀具（山特维克可乐满刀片- CCMW 09 T3 04-H13 A）（b）单点车削。3.3. 实验设计选择切削速度V和进给量f作为能量图的输入参数。选择这些是因为它们对能源消耗的深远影响，如以前的研究人员所报告的那样[42]。V和f的范围如表4所示。这些范围根据工具制造商指南[43]、ISO标准[44]和相关研究[34]保持。切割深度保持恒定，因为过去的研究人员报告的无意义[45]。根据rec-根据 ISO 3685 的规定，对于圆角半径 Rc 为0.4mm 的刀片， ap为1mm，采用完全析因试验设计进行能量图的综合绘制。3.4. 功率测量选择比切削能作为能量图绘制的响应变量首先测量机器的功耗，然后将其用于比切割能量计算。 功率分析仪（横河CW 240-F）如图所示。[15][16][17][18][19][ 它能够测量功率、电流、功率因数和电压数据，分辨率为每秒10个样本。功率分析仪使用电压探头和电流钳为每个测量元素（包括电压、电流和电功率）提供这些电压探头和电流钳连接到车削中心的主电源面板，如图所示。 5（b）. 每个加工条件重复三次，以评估结果的再现性。表4实验设计-低温条件下的加工参数范围V（m/min）50、75、100、125、150、175、200使用双循环方法[11] 每个加工条件运行两次，以计算实际操作切削功率P实际和偏移操作切削功率P空气。当量（1）[46]用于测量实际切割过程Pcut期间消耗的功率。图6示出了实际P和空气P的曲线图，其中它们的差被标记为P切割。[46个]P切缝宽度P实际宽度-P空气宽度图6的检查突出了两个不同的功率曲线，其中橙色曲线（具有正方形标记）表示P实际，蓝色曲线（具有三角形标记）表示P空气。蓝色曲线相对较直，因为没有涉及实际切削，并且机器在定义的输入加工参数下运行，切削刀具与旋转工件的偏移距离为20 mm。可替代地，在测量P实际值期间，当机器以相同的加工参数运行时，切削工具剪切工件。橙色曲线有不同的不同部分，代表切割过程的各个阶段。橙色曲线随着切削刀具与工件接触而升高，并在降低到更稳定的水平之前显著升高，该水平一直持续到切削运行结束。当切削刀具从工件上移开时，功耗会降至原来的水平。通过选择功率曲线的稳定中间部分来合理化P实际的不规则值，其中通过将总瞬时功率消耗值除以实例的数量来平均功率。然后将所得的P实际值用于等式中。（1）确定切削功率（P切）。3.5. 比切削能量计算比切削能SCE由方程计算。（2）[46]而材料去除率MRR是使用方程确定的。（3）[46]。必须注意的是，SCE与机床的制造和类型、额定功率以及机械或电气效率无关[32]。[46个]Pf（mm/rev）0.12、0.16、0.20、0.24ap（mm）1SCE切割MRRð2ÞM.A. 作者：Syed Husain Imran Jaffery和M.汗工程科学与技术，国际期刊41（2023）1013577图五. (a)功率分析仪[46]（b）功率计与数控机床主电源总线的连接。见图6。实际P和空气P的功率图，其差异标记为P切割（未按比例绘制）。MRR 1/4 f ×V ×d4. 结果4.1. 低温条件随着加工操作的进行，能耗的线性构成了能耗图的基础最近的一项研究分析了在V为100 m/min和f为0.2 mm/ rev时干式和低温加工过程中的能耗[19]。与干式加工相比，低温加工除了能耗较低外，还发现随着加工的进行，在其使用寿命的大部分时间内能耗恒定。这一事实增加了在低温条件下开发的能量图的可行性。使用50和125m/min的V和0.12和0.24 mm/rev的fap保持为推荐的1 mm如第3.3所述的能量图。 结果显示在Fig. 7.第一次会议。可以观察到，除了在能量曲线的开始和结束处的两个可见尖峰之外，两种加工的能量消耗在初始尖峰是在刀具与工件接触时产生的，而后期尖峰是指当VB>0：3mm时刀具寿命超过最大可使用寿命时的过度能量消耗。通过在能量曲线的中间部分取平均能量消耗来中和加工过程中的轻微变化使用寿命结束前的均匀能耗验证了所提出的能耗图。4.2. 低温条件下能耗图的研制能量图是在V和f组合的范围内开发的。这些组合是在设计的基础上选择的M.A. 作者：Syed Husain Imran Jaffery和M.汗工程科学与技术，国际期刊41（2023）1013578见图7。 低温条件下的能耗级数（a）V50m=min;f 0： 12mm=rev;d 1mm（b）。V125m=最小值;f 0： 24mm=rev;d 1mm如前所述的实验最初，在表5中给出的不同V和f值下进行20个实验。五世表5f和V的组合用于原始能耗图的开发。范围为50 m/min至150 m/min，而f范围为0.12 mm/rev至0.24 mm/rev，V和f条件1V（m/min）50f（mm/rev）0.12分别保持在25 m/min和0.04 mm/rev。能量2750.12然后绘制消耗值，31000.12能量图如图8所示。每个十字准线都标有根据第3.5节所述的功率测量得出的SCE。相似SCE的区域（在± 0.1 J/mm3的范围内）采用低-中和中-高边界进行分组。根据实验确定的响应输出的数值（SCE值），曲线是弯曲的。 这张初步地图提供了一个更广泛的分布-将地图区域划分为低、中和高SCE区域131000.20由低-中和中-高边界分隔低141250.20SCE区SCE为1.00J/mm3，1.00J/mm3≤SCE≤ 1.10J/mm3区和> 1.10J/mm3区。低-中和中-高界线进一步扩大，181000.24通过在内部进行约55次加工实验191250.24中间的V和f组合。这些点来自于201500.2445 m/min至200 m/min，f范围为0.10 mm/rev至0.24 mm/rev。41250.1251500.126500.167750.1681000.1691250.16101500.1611500.2012750.20151500.2016500.2417750.24M.A. 作者：Syed Husain Imran Jaffery和M.汗工程科学与技术，国际期刊41（2023）1013579≤≤ð Þ见图8。 低温条件下的原始能耗图。Rev. 用于V和f的最小步进增量分别为5 m/min和0.01 mm/rev然后，如图9所示绘制所得的能量消耗值，图9显示了低温条件下的细化能量消耗图。通过将具有特定范围限制内的相似磨损区的点分组，将映射区域划分为多个区域这些范围的限制与为类似工件开发的可用地图保持一致。在地图上发现存在三个不同的区域，即低、中和高能耗区。5. 讨论及分析如第4.2节所述，能源分布图有三个不同的能源消耗区域。低SCE区以SCE <1.00J/mm3 为 界，中SCE区以SCE<1.00J/mm3 为 界SCE1.10J/mm3，高SCE> 1.10J/mm3。SCE图的一个观察结果是SCE随V增加而增加的一致趋势。这一观点适用于所有的f值。SCE随V的增加是由于与较高V相关的钛合金的加工硬化[21]。此外，钛合金的化学反应性也会随着温度的升高而增加，导致更高的工具磨损和更大的能量消耗[11]。另一方面，SCE随f的增加而下降，但影响很小，且能量消耗局限于同一能量区。这种情况发生在大多数V值处，80-SCE随f的增加而降低，这是由于在已删除的材料[47]。这些趋势和图中出现的三个不同能量区域与切削过程的机械和后续部分中的切屑形成有关5.1. 刀屑接触长度在切削加工过程中，刀具-工件相互作用在切削力学中起着重要作用。包括能耗在内的输出响应在很大程度上取决于这些相互作用[48]。为了理解各种能量区发生背后的动力学，分析了刀具切屑接触长度lc。lc是前刀面上切屑与刀具紧密接触的距离。lc取决于许多因素，包括加工参数、工具-工件材料/几何形状和冷却剂的使用[49]。在目前的研究中，低温介质的使用通过消除滑移区而降低了lc，如图10（a）所示。由绿线标识的滑移区域已被低温介质穿透，有效地将lc减小到红线区域的宽度（称为咬合区域）。还可以通过存在可见的研磨痕迹来识别咬合区域。线扫描分析（在图10（a）上标记，结果如图10（b）所示）验证了滑动区域的位置，其特征在于主要插入物元素，即钨（W），而咬合区域被识别为由于紧密接触而粘附到插入物上的钛（Ti）的存在。减小的lc意味着刀具和切屑之间的界面面积更小，从而导致更低的摩擦力。这降低了所有加工条件下的能耗，因此与干燥条件相比，低温条件下M.A. 作者：Syed Husain Imran Jaffery和M.汗工程科学与技术，国际期刊41（2023）101357103ðÞ不图9.第九条。细化了低温条件下的能耗图较短的lc的另一个重要方面也在形成的碎片的类型/尺寸中是明显的。这方面将在第5.2节中介绍。加工条件即V和f对lc的影响可借助图11进行分析。它显示了信用证的趋势，V使用不同的F。在这里，V和f的影响 明显的情况Lc 发现随着V的增加而急剧增加，因此可以随着V的增加而与较高能量区相关。据报道，在较高V下，lc的增加会导致较高的温度，并导致更大的工具磨损和能量消耗[48]。此外，由于切削区温度随切削速度增加[50]，由于工件的强度硬化，切削作用需要更多的能量。与f的关系，lc随f的增加而增加。然而，SCE在高F下略有下降 正如在见图9。发生这种情况的原因之一是在较高的f[51]下切割机制从犁削转变为剪切。由于剪切是一种更有效的切割机制，能耗降低。将lc结果与钛的干车削[34]进行比较，突出表明两种趋势相似。然而，在相同的加工条件下，低温加工与干式加工相比产生更短的lc。此外，低温加工的lc曲线与干式加工相比，线性度更高。其原因是干燥条件下剪切带区域发生的灾难性剪切破坏。除了快速散热，低温5.2. 切屑形态分析切屑是机械加工过程[55]力学的有效指示，可用于将加工质量和能耗联系起来。在实验运行期间收集的芯片然后使用SEM分析这些样品。图12显示了在不同加工参数下产生的切屑的横截面图像。分割的程度随着V的增加而增加，在V升高时更规则。发现切屑呈锯齿状（锯状），通常称为非均匀切屑或剪切局部切屑。其特征在于交替的低和高剪切带。它们主要在航空航天合金的加工过程中或在高速加工钢的过程中产生[56]。加工过程的性能与切屑形成的效率密切相关[57]，切屑形成的效率由剪切角θu和切屑压缩比CCR。 通常计算u和CCR使用几何方程。然而，这些几何方程不能应用于锯齿形切屑[58]，就像当前研究中的情况一样。为了解决这个问题，实验方法用于分析。u通过实验确定，使用SEM图像如图13所示，而CCR使用Eq.（4）[46]。在这个等式中，tc是切屑厚度，t是进给量。[46个]已知介质引起较少的热产生，这防止了灾难性的剪切破坏。除了上述原因外，码片压缩比ð4Þ造成这种情况还有其他因素。低温介质由于其极低的温度而使切屑变脆，这导致它们在加工操作继续时过早断裂[52]。这与典型的长锯齿形切屑形成对比，这些切屑与难以切削的航空航天合金（包括钛合金[53]和镍合金[54]）的机加工相关。此外，由于低温介质的极低温度产生的切割表面上的剧烈温度梯度，会发生切屑卷曲/翘曲。低温冷却抑制了热软化效应，导致lc变短。在不同的V和f下比较u和CCR，以分析能量图。进给速度为0.12mm/rev、0.16 mm/rev、0.20 mm/revrev和0.24 mm/rev用于分析。由于切屑形成主要受u的影响[59]，因此使用安装的切屑来绘制f值恒定时的u结果显示在Fig. 十四岁在所有进料值下，u随V的增加而减小是明显的u的降低是由于Ti-6Al-4V在较高V下的加工硬化[60]。较小的u具有较大的剪切平面面积，应变并导致剪切界面处的更高力[61]。这解释了在较高Vval时的较高能量消耗。M.A. 作者：Syed Husain Imran Jaffery和M.汗工程科学与技术，国际期刊41（2023）10135711图10个。在V75 m/min和f0.24 mm/rev下的lc分析（a）SEM图像（b）EDS线扫描分析。在ue 在与f的关系中，发现u随着f的增加而增加。剪切面积的减小降低了剪切所需的切割力，因此降低了能耗这导致在较高f值下的较少能量消耗。在过去与铝合金Al 6061-T6加工相关的研究中[31]，通过将剪切角与切削速度和进给量相关联来分析切屑形成的机理。可以看出，切屑厚度随着在特定V下工作的f的增加而增加。相反，切屑厚度随着V的增加而减小。可以注意到，这两种情况都增加了切屑厚度比，从而增加了u。图图15显示了不同f和V值下的CCR曲线。在每个f值处，CCR倾向于随着V的增加而减小。类似地，在恒定的V下，CCR随着f的增加而减小随着V的增加，CCR的降低是由于切屑厚度的减小。这种行为可以归因于剪切带宽度倾向于随热导率增加的事实。由于热膨胀率随切削区温度增加[62]，因此剪切带宽度在较高V时增加。因此，记录到CCR随V增加而降低。相反，切屑厚度随着f的增加而增加。由于EQ。（4）也将fM.A. 作者：Syed Husain Imran Jaffery和M.汗工程科学与技术，国际期刊41（2023）10135712见图11。 切削速度对l c的影响 在不同的进料速率下。图12个。在f0.20mm=rev（a）V75m=min（b）V100m=min（c）V125m=min（d）V150m=min时切屑横截面积的显微图像考虑到这一点，切屑厚度的任何增加都被较高的f值所补偿，因此总CCR降低。较低的CCR表示切屑应变较大，导致切削力和能耗升高这可以归因于V和f的影响在SCE地图上的不同能源区在较高V和较低f时，芯片厚度的减小与文献[63]一致。发现V对CCR的影响比f更明显，导致能量区随着V的增加而变化。在M.A. 作者：Syed Husain Imran Jaffery和M.汗工程科学与技术，国际期刊41（2023）10135713图13岁锯齿状Ti-6Al- 4V切屑上切屑厚度（tc）和剪切角θu的识别在铝合金的加工过程中，据报道f比V对能量消耗的贡献更大[64]。在这种情况下，u倾向于随着f的增加而增加，这反过来又导致更低的功率要求和更低的比切割能量。文献还强调，在铣削操作中，剪切能量随着切削载荷的增加而降低。在以往的研究中，发现干车削的CCR钛合金[34]结果发现，芯片中较高的应变导致CCR值升高。这导致更高的切削力，因此消耗更大量的能量。因此，更大的CCR导致在高切削速度下的高能耗区域另一方面，CCR随V的增加而减小。这一趋势与目前的研究结果相似，尽管结果的程度与铝合金相比[65]发现Ti-6Al-4V的u和CCR图分散，切屑生成过程中剪切带的形成[66]。这是由于Ti-6Al-4V合金的导热性差，剪切变形产生热量，因此由于累积的热量，在剪切平面处发生热软化。 其结果是，灾难性的剪切破坏发生在剪切带间歇。此外，在切屑形成过程中，由于不稳定性和间歇性剪切失效也会导致颤振[67]。这些条件导致钛合金Ti-6Al-4V的可加工性特性差。6. 与干燥条件下能耗图的比较然后将低温条件下开发的能耗图与干燥条件下已发布的能耗图[34]进行比较，如图所示。 十六岁最初，在两个能量图之间进行约束比较在两张地图之间进行比较时，首先观察到的一个现象是低-中和中-高边界的位置向高V区域移动。这是由于低温条件下的能量消耗低于干燥条件下的换句话说，对于相同的能量图14.不同进给速度下切削速度对u值M.A. 作者：Syed Husain Imran Jaffery和M.汗工程科学与技术，国际期刊41（2023）10135714图15. 不同进给量下切削速度对连续铬含量消耗更高的V可以用于追求更高的生产率。同样，对于相同的制造产量，低温切割更具可持续性和效率，这是至关重要的指标，表6从可持续性角度比较干式和低温能耗图。绿色制造另一个可行性是，作为低温图的低温车削V范围，比较条件f（mm/rev）V（m/min）在降低能耗与干式图相比，具有更低、更适中的能耗区界限 出于同样的原因，低温地图允许加工120.120.165075百分之十百分之十五以0.16 mm/revf和0.20 mm/revf的速度处理高达175 m/min的V30.2075百分之十六和在0.24 mm/revf下的150 m/min，具有足够的可持续性。40.24125百分之七干燥和低温之间的有形比较能量图，也可以通过将相应点处的能量消耗相关联来制作，如表6所示。在这里，节能（可持续性）高达16%。这种经济的能源消耗可以导致可持续性，从而提高制造系统的整体效率。 相反，也可以通过在V和f的不同组合下选择加工参数来进行低温能量图的分析。一种关怀-充分选择具有相同能量消耗值的这些根据作为重要生产力指数的最低回收率，对这三点进行了比较表7中对这些点的分析表明，就MRR而言，生产率提高了156%。这说明了发达国家的效用。图16. 在干燥条件下车削Ti-6Al-4V的能耗图[34]。M.A. 作者：Syed Husain Imran Jaffery和M.汗工程科学与技术，国际期刊41（2023）10135715表7低温能耗图的生产率分析条件A条件B在提高MRRf（mm/rev）V（m/min）ap（mm）f（mm/rev）V（m/min）ap（mm）0.108510.201001百分之一百三十五0.1210010.201251百分之一百零八0.1012010.221401百分之一百五十六表8制造商工具制造商V（m/min）f（mm/rev）山特维克可乐满45伏 750.1f0.3沃尔特工具50伏 70伏0.05f0.30低温能量图此外，在文献[68]中也提到了较高V在较低表面粗糙度方面的益处。更好的表面完整性的这一重要方面将在未来的研究工作中涵盖，因为制造输出的质量对生产率有显着的贡献[69]。7. 与制造商推荐参数的比较在这一步中，开发的低温能量图被测量其与由其制造商定义的刀具刀片的加工参数范围的兼容性。山特维克可乐满和Walter刀具制造的刀具刀片的这些范围如表8所示。V和f值的叠加被放置在图17中的开发的低温能量图上。可以看出，这些范围与地图的最有效和可持续的部分（低能耗区）一致。这验证了低温能量图在不同加工参数范围内的适用性。8. 结论目前的研究是为了解决制造系统的可持续性方面的低能耗，这是一个重要的目标，绿色制造。提出了一种新的研究目标，即建立低温条件下的能耗图。SCE被选为输出响应，因为它是独立的机器/工具组合。对地图的深入分析揭示了加工的基本机理，并强调了其多管齐下的好处。得出了以下结论发现在低温加工下，当在宽范围的V（50 m/min和125 m/min）和f值（0.12 mm/rev和0.15 mm/rev）下车削时，能量消耗的进展是线性的。0.24 mm/rev）。这一结果是至关重要的开发低温能源消耗地图。编制的能源消费图突出了低、中、高能源区。低能量区encom-通过高达80 m/min的V的区域在V高于80 m/min直到130 m/min附近记录了中等能量区。由于过度的能量消耗，超过130 m/min的区域被称为高能