超潔凈PTFE車削加工切削參數(shù)對表面形貌及粗糙度變化影響

穎惠民， 付婧媛,2， 劉 范,2， 蘇 芮， 阮曉東

(1.浙江大學 流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室， 浙江 杭州 310027；2.浙江啟爾機電技術有限公司， 浙江 杭州 311305)

引言

面向IC制造裝備的超潔凈流體輸控中涉及到許多諸如波紋管泵、磁懸浮泵、隔膜閥、流量傳感器等超潔凈流控零部件，這些超潔凈流控零部件對于其過流表面粗糙度有著非常嚴格的要求，表面形貌的優(yōu)劣不但對零件的摩擦磨損、疲勞強度、配合性質和傳動精度影響很大，甚至關乎機械的使用性能和壽命。在超純水及液體化工領域的部件規(guī)范中[1]，對于產(chǎn)品質量和表面污染析出都有相應的指標，特別是針對表面粗糙度，對于不同外徑，不同加工方式獲得的制品都有其數(shù)據(jù)范圍。研究表面形貌形成機理、表面粗糙度與工藝參數(shù)的關系，正確認識表面形貌在加工過程中的變化趨勢和缺陷，對于改進加工方法，優(yōu)化工藝參數(shù)，提高表面質量和產(chǎn)品性能具有重要意義。

聚四氟乙烯擁有優(yōu)異的物理化學特性，包括其廣泛的使用溫度范圍、突出的不粘性、優(yōu)異的耐腐蝕性和電絕緣性能[2]。因此在超潔凈生產(chǎn)過程中，PTFE成為了超潔凈流控元件的首選材料。然而，它的組成和結構也存在一些缺點：機械性能較差，機械強度低，沒有回彈性，硬度較低，但斷裂延伸率較大；線膨脹系數(shù)較大，從燒結到二次加工都會影響最終產(chǎn)品的性能[3]，與其它材料復合易發(fā)生變形、開裂等現(xiàn)象；成型和二次加工困難以及較差的耐磨性和導熱性[4]。因此，其加工后表面粗糙度在超潔凈流體零部件的實際應用中產(chǎn)生非常重要的影響，主要有以下幾個方面：

(1) 其表面粗糙度越高，也即意味著其表面形貌起伏越大，與流體接觸的面積越大，這會導致包括金屬離子在內的污染物會影響所輸送流體的潔凈度[1]，同時伴隨的還有腐蝕問題[5]；

(2) 表面粗糙度過高會引發(fā)元器件表面的摩擦磨損，且表面形貌會影響到接觸式機械密封的端面接觸特性[6-7]，嚴重時甚至會導致元器件的失效，如高壓干氣密封中的彈簧蓄能輔助密封圈的包覆套材料為PTFE，軸(軸套)表面粗糙度影響PTFE的摩擦磨損性能，而PTFE與軸(軸套)之間的摩擦磨損狀況對其密封能力的可靠性有重要的影響，進而會影響干氣密封整體的密封性能[8]；

(3) 表面形貌復雜會為污染物提供隱匿的居所，藏匿的污染物在使用過程中釋放會對整個超潔凈水循環(huán)系統(tǒng)造成嚴重的影響[1]；

(4) 表面粗糙度過高導致磨損顆粒脫落量到達一定數(shù)量級時，顆粒物懸浮在流體輸送管路中同樣會引發(fā)流體輸控中的污染問題[9]。因此，關注PTFE二次加工后的表面形貌對于超潔凈生產(chǎn)有著非常重要的意義。

國內涉及PTFE的車削加工工藝已有若干研究：王春震等[10]針對PTFE薄壁密封件的切削加工在刀具材料、刀具的幾何角度以及切削時的用量和冷卻條件進行了研究，設計出合理的進退刀路線和加工方案；王勝等[11]針對PTFE設計出了一種同時適用于加工內圓和外圓的車刀結構，設計出的車刀結構能夠滿足提高生產(chǎn)加工效率的需求；除此之外，王勝[12]還設計了一種特定形狀的高速鋼車刀，并用該種特制高速鋼車刀進行切削實驗，研究不同進給速度、切削深度對PTFE車削結果的影響；朱春江等[13]研究了不同刀具不同走刀速度和吃刀量等條件下幾種車床所能達到的表面粗糙度極限值；楊大勇[14]針對聚合物復合材料正交切削的表面粗糙度預測建立了相關模型。國外針對該方面也有一些研究，日本的奧田孝一等[15]發(fā)現(xiàn)PTFE的表面粗糙度和表面形貌對金屬薄膜的附著力和附著強度有很大影響，加工表面形貌的角度明確基本的超精密切削特性，并從潤濕性的角度探討加工表面形貌與表面功能的關系。笠年，奧田孝一等[16]又就經(jīng)超精密金剛石切割加工后的PTFE的表面完整性和金屬薄膜的黏附強度之間的關系進行了研究。CATALIN Feteca等[17]針對聚晶金剛石刀具車削PTFE復合材料的研究，分析了切削參數(shù)和刀片半徑對切削力和表面粗糙度的影響，發(fā)現(xiàn)切削力受進給速度、切削深度、進給速度和切削深度的相互作用的顯著影響。綜上所述，目前國內外針對PTFE機械加工的研究皆缺乏一定的體系，缺少全面系統(tǒng)的研究。

盡管PTFE在超潔凈流控領域起著關鍵性的作用，但對其生產(chǎn)過程中車削加工的規(guī)律并沒有非常系統(tǒng)的研究，而表面形貌形成機理研究也甚少提及。本研究主要從機械加工的角度出發(fā)，探究了PTFE表面形貌受加工參數(shù)的影響機理。因此，本研究通過高分子材料學的表面檢測手段，使用了不同材質的車刀對PTFE進行加工，并對切削后的表面形貌以及粗糙度進行觀測，選擇進給量作為研究PTFE車削加工的主要因素，并對不同刀具材料和冷卻效果下PTFE的切削后表面形貌進行分析總結，探究PTFE車削加工后表面形貌及粗糙度的形成機理。

1 實驗設計

1.1 切削實驗條件的選取

對于PTFE這種硬度較低的材料，在精加工時，因進給量和背吃刀量取值較小，在切削時所產(chǎn)生的切削力較小，對刀具的損害影響基本上可以忽略不計[8]，故車刀磨損對工件的影響程度不在本研究的研究范圍。

實驗中會涉及到的被加工對象材料、實驗設備和實驗條件，包括針對被加工對象的尺寸挑選、車刀材料的選擇和是否使用冷卻液等因素。

1.2 被加工對象材料的選擇

考慮到檢測儀器對于檢測對象尺寸的限制，以及切斷加工方式對樣品的要求，我們選擇直徑15 mm的純PTFE棒料作為加工對象，實驗用PTFE棒材由華爾卡公司生產(chǎn)制造，所使用原材料牌號為M18，即純PTFE，是以單體經(jīng)過模壓、糊膏擠出得到的聚合物，PTFE棒料成分與物理特性見表1所示。

表1 實驗用PTFE物理特性表

2 實驗刀具材料的選擇

考慮到PTFE自身的材料性質以及散熱要求，對于刀具材料也有一定的要求，加工PTFE時使用頻率最高的是硬質合金材質的車刀，此外，本研究還考慮到潔凈度的要求，另外選用了陶瓷和金剛石這兩種材質的車刀。

3 實驗所用切削液的選擇

在車削加工PTFE過程中，考慮到車刀與棒材之間摩擦產(chǎn)生的熱量聚集所帶來產(chǎn)品尺寸無法準確控制的問題，有時會采用切削液進行切削表面熱量疏散以及切屑轉移。本實驗所使用的切削液為嘉實多E690半合成水溶性切削液，并與干切實驗進行對照。

4 實驗所用機床的選擇

車削加工PTFE同樣對車床的精度和穩(wěn)定性有一定要求，因為本研究想要探討的是加工后的表面粗糙度，因此車床的穩(wěn)定性便極為重要。本研究實驗選用的是臺灣臺榮精機生產(chǎn)的25型桌上車床，此車床的詳細參數(shù)如表2所示，該車床具有高剛度高精度的特點，可以裝夾外圓刀桿為12×12的車刀。

表2 車床參數(shù)表

5 實驗數(shù)據(jù)測量設備

5.1 表面粗糙度檢測手段

因為所加工的棒材直徑為15 mm，且厚度僅為2～3 mm，一般的接觸式表面粗糙度測量儀的測量長度超過其直徑范圍，且測量精度不夠，測量結果有一定的誤差，因此選擇激光共聚焦顯微鏡作為檢測儀器，可以同時獲得一定尺度上的微觀表面形貌以及高精度的表面粗糙度測量結果。

5.2 表面形貌檢測手段

除去激光共聚焦顯微鏡以外，對于表面形貌觀測還有更微小尺度上的觀測需求，本研究在此基礎上選擇了原子力顯微鏡(AFM)作為觀測更微小尺度上的檢測儀器，除去可以滿足拍攝表面形貌這一需要，AFM拍攝結果還可以顯示被拍攝對象的3D形貌，對于觀測PTFE的表面形貌提供更直觀的檢測結果。

5.3 車削溫度檢測手段

本研究選用了紅外溫度測量儀作為檢測溫度使用的儀器，該紅外溫度測量儀的原理，基于入射輻的熱效應會引起探測器中某一電特性的變化，通過車刀刀尖，工件，切屑所釋放的輻射量不同來測試溫度，該設備可以在車削時錄制整個車削過程并實時顯示最高切削溫度變化。

6 實驗方案的設計

考慮到激光共聚焦顯微鏡以及原子力顯微鏡對樣品尺寸及檢測表面的要求，車削方式選定為切斷加工，并且在影響加工后表面粗糙度的諸項加工參數(shù)中，如切削深度、切削速度、車床主軸轉速等因素中，已有研究表明[18]，對表面粗糙度影響最大的因素為進給量，除了加工參數(shù)之外，由于車刀材料也是影響PTFE加工后表面的粗糙度的重要因素，因此不同材料的車刀也納入實驗方案之中。除了這兩項，為了驗證溫度對加工后表面形貌和粗糙度的影響，同時設置了加切削液與不加切削液的兩組作為對照。實驗方案如表3及表4所示。為了更清晰地呈現(xiàn)表面粗糙度在50～100 s這一區(qū)域的變化情況，我們額外增加了一組車削實驗，包括加工時車刀的停留時間分別為60 s、70 s、80 s、90 s的四組樣品，如表5所示，除此之外其它車削條件與表3樣品完全相同。

表3 樣品組一

表4 樣品組二

表5 補充實驗實驗參數(shù)及樣品表面粗糙度測量值

樣品制備的過程如下：

(1) 將直徑為15 mm的PTFE棒材用25型桌上車床進行切斷加工，切斷刀材質為硬質合金，加工過程中不使用切削液，不使用切削液主要是考慮到切削液可能會帶來不確定的污染，將PTFE棒材加工成厚度為2～3 mm的薄片，切斷后得到的薄片立刻密封包裝處理；

(2) 將直徑為15 mm的PTFE棒材用25型桌上車床進行切斷加工，切斷刀材質為金剛石、陶瓷以及硬質合金，加工過程中不使用切削液，將PTFE棒材加工成厚度為2～3 mm的薄片，切斷后得到的薄片立刻密封包裝處理；

(3) 將直徑為15 mm的PTFE棒材用25型桌上車床進行切斷加工，切斷刀材質為金剛石、陶瓷以及硬質合金，加工過程中使用切削液進行冷卻，將PTFE棒材加工成厚度為2～3 mm的薄片，切斷后得到的薄片立刻密封包裝處理。

7 結論

7.1 同種材料車刀不同停留時間對PTFE表面形貌影響觀測結果及分析

圖1為激光共聚焦和AFM拍攝得到結果尺度的對比，很明顯，AFM可以得到更為微觀的表面結構。

圖1 激光共聚焦和AFM拍攝結果的對比

根據(jù)車刀在PTFE表面停留時間的不同(0～900 s)，不同樣品加工后利用激光共聚焦拍攝的表面形貌如圖2所示(拍攝尺寸1500 μm×1500 μm)。該圖可以清晰地表征出PTFE表面形貌隨車刀停留時間的演化情況：當硬質合金車刀在PTFE停留0～10 s內(圖2a、圖2b)， PTFE表面凸起形狀較多且分布十分密集，隱約顯露出車刀在其表面的印跡；隨著停留時間的增加(20～150 s，圖2c～圖2f)，表面密集凸起轉變?yōu)槌善灰?guī)則的波浪狀形貌，且伴隨有有表層材料剝離的情況出現(xiàn)；停留時間為200～300 s時(圖2g、圖2h)，樣品表面依然存有一些不規(guī)則形狀的表面剝落，但整體形貌趨于平整；在停留時間為500 s的樣品表面(圖2i)有一些不同大小的圓形剝落，除此之外，刀痕也更加清晰，且每圈刀痕的距離逐漸縮短；停留時間為900 s的樣品表面(圖2j)除了保留了前者刀痕清晰、表面平整等優(yōu)異特征，幾乎已看不到任何的片狀剝落。因此，縱觀所拍攝的全部樣品，隨著加工過程中車刀停留時間的逐漸延長，車削后的PTFE表面由凹凸不平逐漸轉為平滑，且刀痕更加清晰，如圖2a中幾乎布滿整個觀測表面的不規(guī)則凸峰到圖2j幾乎消失殆盡，而相應的出現(xiàn)了更為清晰的均勻細小刀痕。

圖2 同種材料車刀停留時間加工得到的PTFE表面激光共聚焦拍攝結果，拍攝尺寸1500 μm × 1500 μm

圖3為同樣尺寸(1500 μm×1500 μm)激光共聚焦后處理得到的PTFE表面3D形貌圖。當車刀在PTFE停留0～20 s內(圖3a～圖3c)， PTFE表面布滿了有一定銳度的凸峰以及凹谷，隱約顯露以棒材中心為圓心等差直徑的圓形刀痕， 但由于刀痕被表面的復雜形貌所掩蓋，因此并不清晰；隨著停留時間的增加(50～150 s，圖3d～圖3f)，凸峰的銳度逐漸減小，峰頂變得圓滑，其中停留時間為50 s的圖像中(圖3d)出現(xiàn)了一道粗糙度極低的區(qū)域，但因為其寬度較窄，應視為大片PTFE脫落而未有切屑粘結的區(qū)間，與圖2中PTFE層狀剝離情況相吻合；停留時間為200～300 s時(圖3g、圖3h)，樣品拍攝區(qū)域邊緣存在PTFE剝離或粘結的情況，但大部分形貌趨于一致；停留時間為500～900 s時，車刀停留區(qū)域已無明顯的PTFE剝離情況。因此，激光共聚焦實際拍攝的2D圖像與其3D重構圖相互呼應，皆反映出PTFE表面形貌隨車刀加工時長增加的時空變化規(guī)律。

圖3 同種材料車刀停留時間加工得到的PTFE表面激光共聚焦結果3D形貌圖，拍攝尺寸1500 μm×1500 μm

為了觀測到更微觀層面上PTFE車削加工后的表面形貌，使用原子力顯微鏡(AFM)同樣拍攝了相對應的加工后樣品表面，即車刀停留時間在0～900 s的加工情況，通過對比更微觀的相同拍攝尺寸下(30 μm×30 μm)不同樣品的拍攝結果，如圖4所示。當車刀停留時間在0～20 s區(qū)間內(圖4a～圖4c)，PTFE表面既有波浪狀涌起，又布滿不均勻鋒利的凸峰；當停留時間在50～150 s區(qū)間內(圖4d～圖4f)，PTFE表面波浪狀與峰狀形貌依然共存，但凸峰的數(shù)量逐漸減少且銳度也有所降低；當停留時間在200～300 s區(qū)間內(圖4g～圖4h)，凸峰與波浪形貌逐漸融為一體；最終在車刀停留時間為900 s(圖4i)的表面僅顯示有一條光滑的隆起。因此，AFM而用同樣拍攝尺寸得到的不同樣品的拍攝結果間接揭示了PTFE在車削加工時材料的動態(tài)去除過程。

圖4 同一尺度下不同加工條件下即車刀停留不同時間樣品的形貌圖，拍攝尺寸為30 μm×30 μm

除了表面形貌的觀測，同時使用了VK分析軟件對這些拍攝獲得的樣品表面取相對較為平滑的相同大小的區(qū)域進行表面粗糙度的測量，測量結果如表6所示，并將粗糙度結果與車刀停留時間的對應關系繪圖，如圖5所示。結果表明，在一定時間內，隨著停留時間的延長，獲得車削表面的粗糙度迅速下降，到達一定的粗糙度后下降趨勢即減緩至近乎停止，最終表面粗糙度穩(wěn)定在Ra=0.382±0.014 μm。同時，在停留時間50 s到100 s表面粗糙度下降趨勢驟降，通過車刀停留時間60～90 s內細分的補充實驗可以看出，表面粗糙度在停留時間之前的下降趨勢與下降速率完全吻合，呈現(xiàn)出車刀滯留時間與表面粗糙度之間映射關系的一致性。此外，激光共聚焦和AFM呈現(xiàn)的PTFE表面形貌也間接反映出粗糙度隨車刀停留時間的變化情況，并與圖5所示趨勢一致。

圖5 切削加工后PTFE表面粗糙度隨停留時間變化趨勢圖

表6 第一組及補充實驗樣品的表面粗糙度

在加工的同時也對不同停留時間條件下的切削溫度進行了測量，并記錄了不同停留時間下的最高切削溫度，結果如表7所示。切削溫度測量結果顯示，在主軸轉速為1830 r/min，進給量為0.0125 mm/r的車削條件下，當車刀車削沒有在PTFE表面停留時，切削溫度最高可以達到71.6 ℃；而隨著停留時間的延長， 由于PTFE材料散熱性差的特性，溫度逐步攀升至114.9 ℃，并依然保持上升的趨勢。

表7 相同材料車刀不同停留時間下最高切削溫度

關于表面粗糙度的變化趨勢，本研究提出了如下成型機制：當停留時間≤50 s時，較高的切削溫度軟化切削區(qū)材料使得材料容易被去除，刀具刃口波谷側包裹粘結材料使得波峰被部分切除，造成表面粗糙度和輪廓最大高度減小；而當停留時間≥50 s后，滑動過程中的轉移膜[18-19]不斷剝落產(chǎn)生，雖然切削溫度進一步增加導致粘結現(xiàn)象進一步增強，刃口上包裹的粘結材料代替刃口進行切削，粘結材料脫離刀具粘回工件，然后又有新的材料沾到刀具上，隨著切屑的不斷增加，粘結切屑在對磨表面壓力下被碾壓熨平，使得表面粗糙度不再產(chǎn)生較大的波動，趨于穩(wěn)定。

8.2 不同材料車刀、切削液使用與否表面形貌觀測結果及分析

針對車刀材料和切削液使用情況對于PTFE表面加工質量的影響，我們在不同車刀且均不使用切削液的情況下，每個樣品上沿同一圈上選取三個點進行拍攝，拍攝結果選擇最具代表性的表面形貌進行比較分析，結果如圖6、圖7所示。結合兩種放大倍數(shù)下的切削后PTFE拍攝表面可以看出，不同的刀具材料對其加工后的PTFE的表面形貌有非常顯著的影響，硬質合金車刀和金剛石車刀加工后的表面(圖6a、圖6c、圖7a、圖6c)車痕清晰且每道車痕之間的距離基本上均勻一致，而陶瓷車刀加工后的表面(圖6b、圖7b)呈現(xiàn)出不規(guī)則波浪狀涌起，基本上無法看到車痕，且表面的波浪狀涌起皆朝向同一方向。根據(jù)不同車刀加工后表面的差異化可以推測，出現(xiàn)這種現(xiàn)象一方面是由于陶瓷車刀本身的材料限制，在加工過程中散熱效果差，導致被加工材料表面溫升比其它兩種車刀加工的材料表面溫升更高，而除了清晰的車痕外，另外兩個表面還存在一些局部的剝落現(xiàn)象(圖7c)，這是由于加工過程中車刀與材料粘連導致的， 因為在一些PTFE摩擦磨損實驗中也觀測到相同的表面現(xiàn)象[20]，這與摩擦膜的形成有一定的相似性。

圖6 不同材料車刀在相同加工條件且無切削液的狀態(tài)下切削加工的PTFE表面激光共聚焦增強拍攝結果，拍攝尺寸為1500 μm×1000 μm

圖7 不同材料車刀在相同加工條件且無切削液的狀態(tài)下切削加工的PTFE表面激光共聚焦增強拍攝結果，拍攝尺寸為750 μm×500 μm

拍攝添加切削液的樣品選取拍攝點的思路與不添加切削液的樣品相同，拍攝結果如圖8所示，為更進一步看清細節(jié)，增加了更大尺度上的拍攝結果，即除1500 μm×1000 μm和750 μm×500 μm的鏡頭外，還使用了300 μm×200 μm和150 μm×100 μm的鏡頭進行拍攝。從拍攝結果來看，切削后樣品表面刀痕最為清晰的仍然是金剛石車刀加工后的表面，但是添加切削液后金剛石車刀加工得到PTFE表面剝落的情況較未加切削液加工得到的表面剝落現(xiàn)象更為嚴重。如圖8c中圈區(qū)域所示，剝落處不規(guī)則地分布于所選區(qū)域，考慮到這兩組樣品唯一的變量是切削液的使用，可以得出結論：添加切削液進行加工時切削液持續(xù)沖刷切削表面從而導致更多剝落現(xiàn)象的產(chǎn)生。陶瓷刀加工后的表面(圖8b)依然布滿波浪狀涌起，但相較于未加切削液切削得到的表面，表面更加平整，且在150 μm×100 μm鏡頭下拍攝到的表面十分平滑，也無剝落現(xiàn)象產(chǎn)生，這說明切削后表面的剝落現(xiàn)象與車刀材料有著直接關系，更深層次的原因和PTFE與車刀的表面相互作用所產(chǎn)生的溫度有關。

圖8 不同材料車刀在相同加工條件且有切削液的狀態(tài)下切削加工的PTFE表面激光共聚焦增強拍攝結果，拍攝尺寸分別為1500 μm×1000 μm、750 μm×500 μm、300 μm×200 μm、150 μm×100 μm

9 結論

(1) 從AFM的拍攝結果可以看出，隨著車削加工時車刀在PTFE表面固定點處停留時間的增加，PTFE的微觀表面逐漸光滑，并且表面纖維逐漸由尖利轉變?yōu)閳A鈍；

(2) 隨著停留時間逐漸延長，車削后的PTFE表面由凹凸不平逐漸轉為平滑，且刀痕也更加清晰，隨著停留時間的延長，獲得車削表面的粗糙度下降速率逐漸減緩，到達一定的粗糙度后下降趨勢減緩至近乎停止，最終粗糙度停留在Ra=0.382±0.014 μm；

(3) 不同的刀具材料對加工后的PTFE的表面形貌也有非常大的影響，其中硬質合金車刀和金剛石車刀加工后的表面擁有非常清晰的車痕而陶瓷車刀加工后的表面出現(xiàn)波浪狀涌起，這主要是陶瓷車刀本身在加工過程中散熱效果差導致，而除了清晰的車痕外，另外兩個表面還存在一些局域狀的剝落現(xiàn)象，這是由于加工過程中車刀與材料粘連導致。在有切削液的條件下，依然可以得出相同的結論，且在放大更多倍數(shù)的圖像上可以看到金剛石車刀加工后的表面整體規(guī)整，但存在很多局部區(qū)域的剝離現(xiàn)象，這說明金剛石與PTFE加工過程中在有切削液的條件下粘連狀況相較于另外兩者更加嚴重，但在更宏觀的圖像上金剛石的車痕最為規(guī)整清晰；

(4) 陶瓷刀有無切削液的激光共聚焦拍攝結果間接佐證了溫度是造成切削后的表面產(chǎn)生涂抹現(xiàn)象的重要因素，由此可推斷出，車削區(qū)域可能存在快速加熱機制，一旦PTFE被加熱到超過其玻璃溫度，其表面會出現(xiàn)軟化現(xiàn)象，這便是導致PTFE車削加工后表面涂抹現(xiàn)象的原因。在未來的研究工作中，將通過對溫度、正壓力、剪切力的時空演化觀測實驗進行更充分地證實。

通過不同的切削參數(shù)切斷PTFE觀測表面形貌實驗，得到了PTFE的表面微觀形貌隨車刀停留時間變化的規(guī)律，以及表面粗糙度與車刀進給量、停留時間的對應關系，據(jù)此為PTFE加工時車刀材料的選擇以及切削參數(shù)的選擇和切削液的選用提供理論依據(jù)。