超臨界CO2微量潤(rùn)滑銑削Al-42wt% Si合金切削加工性研究

荊露，牛秋林，陳明，安慶龍，岳文輝，張恒

1湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；2上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院；3山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

高硅鋁合金(硅含量≥30wt%)具有比重小、熱膨脹系數(shù)低、熱導(dǎo)率高、強(qiáng)度好及耐磨性好等綜合特性，從而滿足了電子封裝模塊日益小型化、輕量化的發(fā)展要求[1，2]。其中，Al-42wt% Si合金作為微波探測(cè)、半導(dǎo)體及衛(wèi)星通訊領(lǐng)域中重要的結(jié)構(gòu)件材料，得到了相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[3]。然而，作為顆粒增強(qiáng)型金屬基復(fù)合材料，硅含量的增加降低了硅鋁合金的切削加工性，容易產(chǎn)生較大的切削力及較高的切削溫度，從而使表面質(zhì)量惡化，加重刀具磨損[4]。因此，Al-42wt% Si合金的切削加工性較差，其加工表面質(zhì)量受到加工工藝、刀具磨損等多種因素的影響。

近年來(lái)，綠色切削技術(shù)因在高效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等方面表現(xiàn)出的卓越優(yōu)勢(shì)而得到快速發(fā)展[5]。其中，超臨界二氧化碳低溫微量潤(rùn)滑技術(shù)(scCO2-MQL)是將超臨界二氧化碳(scCO2)與微量潤(rùn)滑技術(shù)(MQL)相結(jié)合并應(yīng)用于切削領(lǐng)域的一項(xiàng)新方法，旨在通過(guò)低溫冷卻介質(zhì)的強(qiáng)效冷卻與潤(rùn)滑油的減摩潤(rùn)滑特性提高難加工材料的切削加工性[6，7]。scCO2既保持著擴(kuò)散冷卻及對(duì)潤(rùn)滑油的溶解作用，又避免了過(guò)度冷卻(如液氮)及高昂成本[8]。Supekar S.D.等[9]發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)水基切削液和基于氣體的切削液噴射加工相比，scCO2-MQL冷卻和潤(rùn)滑作用的雙重結(jié)合可更加有效地減小切削熱，提高散熱效率，降低刀具磨損。Chen J.等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在scCO2射流中加入可溶性植物油可大大提高刀-工間的潤(rùn)滑性能。上海交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)[11-13]采用scCO2與油膜附水滴混合的方式系統(tǒng)性分析了鈦合金銑削過(guò)程發(fā)現(xiàn)，該方式可有效減小切削力并降低切削溫度，抑制刀具磨損并獲得良好的鈦合金加工表面。陳德成等[14]針對(duì)高硅鋁合金的高效切削，從顆粒去除方式的角度闡述了該材料在-30℃冷風(fēng)結(jié)合MQL狀態(tài)下的車削性能。已有研究表明，顆粒增強(qiáng)型鋁基復(fù)合材料的鋁基體在冷卻潤(rùn)滑性能中的影響不容忽視[15]。目前，scCO2-MQL冷卻潤(rùn)滑技術(shù)仍處于快速發(fā)展階段。

針對(duì)硅鋁合金的高質(zhì)高效加工，現(xiàn)有研究大多采用低溫切削或MQL加工方法對(duì)硅鋁合金的切削加工性進(jìn)行研究，而對(duì)在冷卻和潤(rùn)滑雙重作用下工件材料的切削加工性和材料去除機(jī)制缺乏深入研究。開展硅鋁合金新型綠色切削工藝研究并分析綠色切削工藝對(duì)硅鋁合金切削加工性的影響，對(duì)實(shí)現(xiàn)硅鋁合金的高質(zhì)高效切削是有益的嘗試。因此，本文圍繞scCO2和scCO2-MQL兩種綠色加工工藝，針對(duì)具有高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度的Al-42wt% Si合金的切削加工性進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)比分析Al-42wt% Si合金在干切削、scCO2及scCO2-MQL三種切削加工方式下的切削力、表面粗糙度和表面形貌，探討scCO2和scCO2-MQL兩種綠色加工工藝在硅鋁合金銑削加工中的作用。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 工件材料與刀具

工件材料為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為42%的硅鋁合金Al-42wt% Si(天津百恩威新材料科技有限公司生產(chǎn))，對(duì)應(yīng)國(guó)外牌號(hào)CE13，機(jī)械性能如表1所示。工件為100mm×60mm×20mm塊料。采用OSG公司生產(chǎn)的四刃整體硬質(zhì)合金TiAlN涂層銑刀，刀具牌號(hào)為9523040K S-EML。刀具長(zhǎng)70mm，螺旋刃長(zhǎng)17mm，螺旋角37°，切削刃直徑4mm，刀柄直徑6mm。

表1 Al-42wt% Si物理力學(xué)性能

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在DMU 70V立式加工中心上進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)。其中，將二氧化碳復(fù)合噴霧潤(rùn)滑冷卻系統(tǒng)ARMORINE iMQL250IE鏈接到加工中心上開展scCO2和scCO2-MQL切削加工實(shí)驗(yàn)(見圖1)。冷卻潤(rùn)滑采用外置噴嘴方式，噴口與切削區(qū)距離約為70mm。CO2復(fù)合噴霧冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)氣壓為7.5bar，油霧流量控制為50mL/h，噴口溫度經(jīng)測(cè)量為-76℃，潤(rùn)滑油為可溶性植物油。

圖1 銑削加工

實(shí)驗(yàn)采用全因素設(shè)計(jì)方案和順銑方式。具體切削參數(shù)如下：切削速度vc為50m/min，70m/min，90m/min；每齒進(jìn)給量fz為0.01mm/z，0.03mm/z，0.05mm/z，0.07mm/z；徑向切削寬度ae為2mm；軸向切削深度ap為1.5mm，每刀銑削長(zhǎng)度為13mm。加工過(guò)程和實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。采用Kistler 9272測(cè)力儀對(duì)切削力進(jìn)行測(cè)量，取穩(wěn)定切削階段的最大值。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，采用JITAI820表面粗糙度測(cè)試儀對(duì)工件的表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量。每組切削參數(shù)下重復(fù)測(cè)量已加工表面粗糙度6次，結(jié)果取平均值。采用SU3500掃描電鏡觀察工件已加工表面微觀形貌特征。

圖2 銑削實(shí)驗(yàn)裝置

3 結(jié)果與分析

3.1 切削力

切削速度vc和每齒進(jìn)給量fz對(duì)切削力的影響規(guī)律如圖3所示。在相同切削速度下，三種綠色銑削工藝中產(chǎn)生的Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z均隨著每齒進(jìn)給量的增加而增大，這是由于隨著每齒進(jìn)給量的增加，未變形切屑厚度增大，單位時(shí)間內(nèi)刀齒所做的功增加，進(jìn)而加劇了前刀面上的正應(yīng)力。而在相同的每齒進(jìn)給量下，隨著切削速度的增加Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z的變化趨勢(shì)有所差異，這主要由硅鋁合金材料特性及不同切削環(huán)境所引起。

Fx作為徑向銑削力主要反映切削接觸區(qū)的擠壓回彈作用，因此相對(duì)于其他切削分力，其增幅較明顯。如圖3a所示，當(dāng)每齒進(jìn)給量一致時(shí)，F(xiàn)x隨著切削速度的增大呈減小趨勢(shì)。這是由于隨著切削速度的增大，第Ⅱ變形區(qū)處因鋁基體摩擦黏結(jié)及硅顆粒滑擦所產(chǎn)生的切削溫度大幅升高，與前刀面接觸的切屑底層材料得以軟化，增強(qiáng)材料熱塑性，抑制了擠壓回彈作用，減少了單位時(shí)間內(nèi)的銑削能耗。Fy為進(jìn)給抗力，從圖3b中可知，其變化趨勢(shì)與Fx相當(dāng)。

(a)X方向分力

由圖3可知，在大多數(shù)切削參數(shù)下，干銑削所產(chǎn)生的切削力最大，scCO2-MQL冷卻/潤(rùn)滑條件下切削力最小，這主要與刀-屑、刀-工之間的接觸狀態(tài)有關(guān)。scCO2的噴射可以在加工表面形成一層氣態(tài)保護(hù)薄層，除了可以降低切削溫度外，還具有潤(rùn)滑、沖刷碎屑、破碎顆粒和抑制二次損傷的作用。在銑削過(guò)程中，雖然scCO2的冷卻作用使硅鋁合金的強(qiáng)度有所提升[16]，但是MQL的加入則為刀-工間的接觸提供了更好的潤(rùn)滑效果，在外界壓力作用下，微米級(jí)霧粒高速射至加工區(qū)形成潤(rùn)滑油膜。另外，硅鋁合金中，顆粒去除產(chǎn)生的坑洞等缺陷為潤(rùn)滑油提供了更多的儲(chǔ)存空間，且低溫可防止油膜被破壞。因此，scCO2-MQL銑削環(huán)境下刀-工間的摩擦系數(shù)最小，可獲得最小切削力。

隨著切削速度的增大，scCO2及油霧的噴射因受切削速度的影響而使冷卻/潤(rùn)滑介質(zhì)滲入切削區(qū)的有效時(shí)間縮短，降低了介質(zhì)的冷卻/潤(rùn)滑效果。當(dāng)vc=90m/min時(shí)，F(xiàn)x和Fy在scCO2-MQL環(huán)境下最大，在scCO2環(huán)境下最小。

由此可得，scCO2-MQL加工方式可為硅鋁合金的銑削提供良好的冷卻/潤(rùn)滑條件，但銑削速度過(guò)大則會(huì)抑制介質(zhì)的有效滲入，對(duì)冷卻/潤(rùn)滑效果產(chǎn)生不利影響。

3.2 表面粗糙度

切削速度vc和每齒進(jìn)給量fz對(duì)表面粗糙度的影響如圖4所示。在相同的切削速度下，隨著每齒進(jìn)給量的增加，表面粗糙度呈增大趨勢(shì)。這是由于單位時(shí)間內(nèi)刀齒做功增加，根據(jù)銑削加工中刀齒的斷續(xù)切削機(jī)理可知，隨著每齒進(jìn)給量的增大相鄰兩刀痕的距離增加，加工表面上的殘余高度增大，增大了表面粗糙度。在相同每齒進(jìn)給量下，切削速度對(duì)表面粗糙度的影響并無(wú)線性規(guī)律，這源于硅鋁合金的材料特性以及其表面形成機(jī)制。

圖4 切削速度及每齒進(jìn)給量對(duì)表面粗糙度的影響

值得注意的是，當(dāng)vc=50m/min時(shí)，在不同的每齒進(jìn)給量下，干切削的表面粗糙度均為最低；當(dāng)fz=0.01～0.05mm/z時(shí)，采用scCO2銑削工藝的表面粗糙度最大；然而，當(dāng)fz=0.07mm/z時(shí)，scCO2-MQL銑削環(huán)境下的表面粗糙度最高。在vc=70m/min和vc=90m/min時(shí)，表面粗糙度值在每齒進(jìn)給量較小時(shí)的排序?yàn)閟cCO2>干銑削>scCO2-MQL；隨著每齒進(jìn)給量的增加，表面粗糙度排序變?yōu)閟cCO2-MQL>scCO2>干銑削，可見，每齒進(jìn)給量對(duì)低溫微量潤(rùn)滑的影響極為重要。在所有實(shí)驗(yàn)中，scCO2銑削環(huán)境下的表面粗糙度均大于干銑削環(huán)境，scCO2-MQL冷卻潤(rùn)滑下的表面粗糙度則隨著切削功率的增大而增大，且增幅顯著。

3.3 表面形貌

圖5為三種銑削方式的表面形貌?？芍?，Al-42wt% Si合金加工表面缺陷主要以進(jìn)給刀痕、鋁基體涂覆、顆粒破碎、表面撕裂及顆粒去除后產(chǎn)生的淺凹坑等為主。進(jìn)給刀痕是銑削產(chǎn)生的固有現(xiàn)象，干銑削中較高的切削溫度可以軟化工件，因此進(jìn)給刀痕在干銑削中最為明顯，而scCO2及scCO2-MQL冷卻/潤(rùn)滑狀態(tài)下工件表面撕裂嚴(yán)重，掩蓋了進(jìn)給刀痕。從圖中還可以看出，干銑削下工件涂覆表面均勻且覆蓋面積大，在scCO2及scCO2-MQL環(huán)境下存在大面積撕裂及硅顆粒破碎所產(chǎn)生的大而淺的凹坑，其中，采用scCO2銑削時(shí)基體涂覆面積最小。因此，干銑削下可獲得最佳的表面形貌。

圖5 不同加工工藝下工件表面SEM形貌(vc=50m/min，fz=0.01mm/z)

結(jié)合vc=50m/min，fz=0.01mm/z時(shí)的表面粗糙度分析，此時(shí)干銑削的表面粗糙度值最小(為0.321μm)；scCO2銑削的表面粗糙度值最大(為1.226μm)，與表面形貌結(jié)果相符。同時(shí)，當(dāng)vc=50m/min，70m/min，90m/min時(shí)，scCO2-MQL銑削條件下的表面粗糙度在較低的每齒進(jìn)給量下均較小，說(shuō)明若選取較低的每齒進(jìn)給量，則鋁基體對(duì)表面的涂覆作用不會(huì)被抑制，而較高的每齒進(jìn)給量則易造成鋁基體撕裂。

在第Ⅲ變形區(qū)處，后刀面對(duì)硅鋁合金工件已加工表面的摩擦擠壓利弊兼有：一方面可以使鋁基體延展，熨平表面；另一方面易引起顆粒對(duì)表面的二次損傷。scCO2及scCO2-MQL冷卻/潤(rùn)滑工藝可有效改善切削力及切削溫度，但Al-42wt% Si合金以鋁基體為主，因此對(duì)其加工表面形貌起決定性作用的是鋁基體涂覆。在scCO2及scCO2-MQL冷卻/潤(rùn)滑條件下，邊界潤(rùn)滑膜的存在可以有效改善刀-工間的摩擦，但同時(shí)也對(duì)鋁基體的涂覆有所抑制。因此，scCO2可以使鋁基體的強(qiáng)度有所提升，同時(shí)作用在鋁基體上的摩擦力及鋁基體變形減少；若此時(shí)每齒進(jìn)給量較高，會(huì)造成工件表面密集的基體撕裂得不到彌合，產(chǎn)生較差的表面質(zhì)量。

綜上所述，scCO2-MQL銑削工藝對(duì)硅鋁合金的適用性在一定程度上取決于硅顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和每齒進(jìn)給量的選取[17]。

3.4 不同加工工藝下硅鋁合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)其切削加工性的影響

為進(jìn)一步分析不同銑削工藝下Al-42wt% Si合金表面形貌發(fā)生不同變化的原因，取中等銑削參數(shù)(vc=70m/min，fz=0.05mm/z)下Al-42wt% Si合金與Al-50wt% Si合金的表面形貌加以對(duì)比分析。兩種合金的加工條件完全相同。Al-50wt% Si合金具有更高的硅含量，鋁基體相對(duì)較少，其屈服強(qiáng)度為210MPa，比Al-42wt% Si合金高61MPa。

圖6a為Al-42wt% Si合金在vc=70m/min，fz=0.05mm/z時(shí)的表面形貌?？梢?，在scCO2-MQL冷卻潤(rùn)滑狀態(tài)下鋁基體撕裂仍是表面質(zhì)量惡化的主要因素。這種現(xiàn)象源于在scCO2-MQL銑削環(huán)境下，潤(rùn)滑油膜的存在使刀-工間的摩擦系數(shù)降低。當(dāng)每齒進(jìn)給量較低時(shí)，外界提供的冷卻潤(rùn)滑可促進(jìn)鋁基體延展，此時(shí)冷卻潤(rùn)滑作用對(duì)硅鋁合金的銑削加工有益。然而，若每齒進(jìn)給量較大，刀齒單位時(shí)間內(nèi)切削材料增加，潤(rùn)滑作用又使得刀具對(duì)鋁基體的作用力減少，造成刀具后刀面作用力不足以剪切鋁基體材料，而是將其堆積擠壓，造成大面積表面損傷[18]。

對(duì)于鋁含量較多的Al-42wt% Si合金，鋁基體的變形是影響其表面質(zhì)量的決定性因素。scCO2銑削環(huán)境下，其冷卻作用同樣影響鋁基體，抑制了其塑性變形，因此鋁基體涂覆量相比于干切削較少，易產(chǎn)生比干切削更高的表面粗糙度。該表面形成與上述表面粗糙度結(jié)果相符。

相比之下，Al-50wt% Si合金的塑性更低，鋁基體含量更少，此時(shí)硅顆粒的去除方式對(duì)表面形貌的影響更大，冷卻潤(rùn)滑作用可有效減小切削力和切削溫度，降低刀-工間摩擦系數(shù)，改善工件表面形貌。圖6b為Al-50wt% Si合金在vc=70m/min，fz=0.05mm/z時(shí)的表面形貌?？梢姡摄娤鲿r(shí)表面出現(xiàn)延性分層及基體涂覆現(xiàn)象；采用scCO2銑削時(shí)，由于低溫提高了鋁強(qiáng)度，因此出現(xiàn)顆粒破碎現(xiàn)象；在scCO2-MQL作用下，潤(rùn)滑油減小了硅鋁合金的剪切強(qiáng)度，促進(jìn)了鋁基體涂覆且抑制了硅顆粒的拔出，表面僅出現(xiàn)微裂紋及小面積的顆粒破碎現(xiàn)象。Al-50wt% Si合金硅含量的增加有效降低了鋁基體的塑性變形，后刀面對(duì)鋁基體的熨平使得其涂覆更加均勻，因此，即使增大每齒進(jìn)給量fz也不易出現(xiàn)鋁基體撕裂現(xiàn)象。結(jié)果表明，Al-50wt% Si合金在scCO2-MQL銑削環(huán)境下可獲得最佳表面形貌。

(a)Al-42wt% Si合金

綜上所述，從硅鋁合金表面形成機(jī)制分析，scCO2及scCO2-MQL銑削環(huán)境可有效改善刀-工摩擦狀態(tài)，并形成邊界潤(rùn)滑膜以改善表面質(zhì)量。但是，如果硅鋁合金中鋁基體占主導(dǎo)作用，則在scCO2-MQL環(huán)境下不適宜采用較大的每齒進(jìn)給量；對(duì)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的硅鋁合金，冷卻/潤(rùn)滑介質(zhì)對(duì)切削區(qū)的滲透可有效改善表面質(zhì)量，此時(shí)切削環(huán)境占主導(dǎo)作用，而非切削參數(shù)。

Al-42wt% Si合金在scCO2-MQL銑削環(huán)境下，當(dāng)每齒進(jìn)給量較大時(shí)，鋁基體將經(jīng)過(guò)裂紋—擴(kuò)展—撕裂階段，惡化表面質(zhì)量[19]；采用較小的每齒進(jìn)給量時(shí)，冷卻/潤(rùn)滑作用將提升鋁的延展性，鋁基體經(jīng)過(guò)抹拭—微裂紋—涂覆階段可有效彌合表面缺陷。由于Al-50wt% Si合金具有更高的屈服強(qiáng)度，變形程度小，此時(shí)切削參數(shù)不占主導(dǎo)作用，鋁基體將直接經(jīng)歷抹拭—微裂紋—涂覆階段，可以獲得較好的表面形貌。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)銑削硅鋁合金時(shí)，加入scCO2-MQL介質(zhì)可有效降低切削力及切削溫度，改善刀-工間摩擦狀態(tài)。同時(shí)，硅顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)硅鋁合金在scCO2-MQL銑削環(huán)境下的切削加工性有較大影響。當(dāng)鋁基體含量較多時(shí)，鋁基體的表面形成特征直接決定表面形貌。

(2)在scCO2-MQL條件下加工Al-42wt% Si合金時(shí)，宜采用較低的每齒進(jìn)給量，此時(shí)會(huì)獲得低缺陷高彌合的表面。當(dāng)每齒進(jìn)給量增大時(shí)，鋁基體對(duì)表面的涂覆作用將逐步被破壞并產(chǎn)生表面撕裂，惡化表面質(zhì)量。

(3)加工Al-50wt% Si合金時(shí)，scCO2-MQL介質(zhì)可有效改善顆粒去除機(jī)制，促進(jìn)鋁基體的涂覆，形成較好的表面形貌。同時(shí)，研究結(jié)果表明，加入冷卻/潤(rùn)滑劑對(duì)金屬基復(fù)合材料的切削加工適用性仍有待深入研究，兩相材料的占比不同將直接影響其切削加工性。因此，后續(xù)有必要進(jìn)一步開展多因素綜合作用對(duì)其切削效果影響的研究工作。