難加工材料微量潤滑及低溫輔助切削加工技術(shù)研究

安慶龍，韋靖，高斌，黨嘉強(qiáng)，徐錦泱，明偉偉，陳明

1上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院；3航空工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司

1 引言

我國是制造大國，但制造業(yè)中的環(huán)境污染給工業(yè)生產(chǎn)和人們生活帶來了巨大挑戰(zhàn)。綠色制造有效改變了制造業(yè)中的環(huán)境污染問題，已逐漸成為世界制造業(yè)未來的發(fā)展趨勢[1]。其中，清潔切削是實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工環(huán)境、操作人員和生產(chǎn)資源和諧可持續(xù)發(fā)展的有效途徑，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車及船舶等各大工業(yè)領(lǐng)域[2]。清潔切削是指以減少或禁止使用大量冷卻潤滑液為導(dǎo)向，通過微量潤滑(MQL)及低溫輔助微量潤滑(CMQL)等手段去除零件材料的機(jī)械加工技術(shù)[3]。國內(nèi)外學(xué)者對此進(jìn)行了大量研究，主要集中在新型冷卻潤滑介質(zhì)調(diào)控、微量潤滑及低溫輔助切削過程建模、刀具磨損機(jī)理及加工表面完整性創(chuàng)成等方面[4-6]。本文對近年上海交通大學(xué)在難加工材料微量潤滑及低溫輔助加工方面的研究進(jìn)行綜述，包括微量潤滑及低溫輔助切削加工基礎(chǔ)理論、典型難加工材料微量潤滑及低溫輔助切削機(jī)理和微量潤滑及低溫輔助加工表面完整性創(chuàng)成等方面的研究。

2 微量潤滑及低溫輔助切削加工基礎(chǔ)理論

2.1 微量潤滑及低溫輔助切削加工工作原理

為了保證加工表面質(zhì)量和加工精度，需嚴(yán)格控制切削過程中的切削溫度和切削力。傳統(tǒng)冷卻潤滑方式常采用高壓冷卻液澆注到切削區(qū)域，容易造成環(huán)境污染且冷卻效果較差。MQL是通過在壓縮空氣中混入微量潤滑油/水，形成微米級霧狀氣液兩相射流，對切削區(qū)進(jìn)行冷卻潤滑的新技術(shù)，具有環(huán)境污染低和資源利用率高的優(yōu)點(diǎn)，已成為一種替代切削液的有效手段。由于微量潤滑參與冷卻的介質(zhì)較少，導(dǎo)致切削過程中無法起到較好的冷卻效果?；诖?，本文將微量潤滑技術(shù)和低溫輔助結(jié)合，提出了一種超臨界二氧化碳低溫輔助微量潤滑加工技術(shù)(scCO2-MQL，CMQL)，其同時具備了較好潤滑和冷卻的優(yōu)點(diǎn)。CMQL工作原理和實(shí)物如圖1所示。

圖1 超臨界二氧化碳低溫輔助微量潤滑工作原理和實(shí)物[7，8]

此系統(tǒng)包括三個獨(dú)立的儲液器，分別裝載液態(tài)二氧化碳、植物油和去離子水，并使用空氣壓縮機(jī)為霧化提供動力。超臨界二氧化碳(scCO2)可通過加壓、加熱及霧化等一系列過程獲取，其壓力和溫度的最低值分別維持在72.8atm和31.2℃。植物油和去離子水潤滑介質(zhì)由單獨(dú)的運(yùn)輸通道輸送到混合容器中，在壓縮空氣作用下進(jìn)行霧化，最后與scCO2混合后進(jìn)入噴嘴，形成了低溫微量潤滑介質(zhì)(溫度約為-78℃)，并通過噴嘴噴向加工區(qū)域。scCO2-MQL中的微量潤滑液可減小刀-屑摩擦，降低切削力，延緩刀具磨損；其中的超臨界二氧化碳介質(zhì)可以強(qiáng)化對流換熱效應(yīng)，大幅降低切削溫度?；诖搜b置，本文對難加工材料微量潤滑及低溫輔助切削加工開展了系列研究工作。

2.2 微量潤滑流場分析

針對微量潤滑切削中的流場分布特征，上海交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)做了大量研究工作，包括外冷式MQL切削區(qū)流場建模及仿真、內(nèi)冷孔MQL出口流場建模與仿真以及MQL流場分布試驗(yàn)測量及工藝參數(shù)優(yōu)化等。姜立[9]采用Fluent多相流中的離散相模型，通過積分拉格朗日坐標(biāo)系下的顆粒作用力微分方程求解切削液霧化顆粒的軌道，從而對螺紋車削中切削區(qū)的MQL流場分布特征進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)壓縮空氣離開噴嘴時的最高速度接近220m/s，高速氣流能夠通過切屑側(cè)面進(jìn)入前刀面的切削區(qū)域，并在切屑與前刀面之間形成渦流，因此切屑表面和刀-屑分離處存在高壓區(qū)域，使進(jìn)入此區(qū)域的氣流速度降低，并且進(jìn)入切削區(qū)域的霧滴速度和直徑較大，只有在霧炬邊緣會有較小的霧滴。

梁旭[10]以實(shí)際粒子圖像測速法(PIV)的流場檢測試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)反向建立了內(nèi)冷孔出口MQL雙螺旋流場模型，并研究了霧化參數(shù)和內(nèi)冷孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對內(nèi)冷孔出口流場的作用(見圖2)。研究發(fā)現(xiàn)：較高的入口壓強(qiáng)有利于增大出口流場速度和減小平均霧滴粒徑，而流量對速度場和顆粒分布的影響較??；當(dāng)內(nèi)冷孔由方形到扇形再到圓形變化時，出口流速更高且霧化速度更好；當(dāng)提高內(nèi)冷孔螺旋角角度，出口流速減小而霧滴粒徑增大，冷卻潤滑效果變差。與此同時，也基于PIV技術(shù)獲取了不同加工方式下MQL流場分布特征(見圖3)，并基于試驗(yàn)結(jié)果對MQL的工作參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，試驗(yàn)與仿真結(jié)果規(guī)律一致，有效驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

2.3 微量潤滑及低溫輔助切削摩擦磨損特性

針對MQL及CMQL過程中的摩擦磨損特性，Chen J.等[11]對現(xiàn)有的銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行改造，加入低溫輔助微量潤滑環(huán)境(見圖4)，表征了硬質(zhì)合金與復(fù)合材料切削過程在不同冷卻潤滑條件下的摩擦學(xué)性能。

圖5為不同條件下摩擦系數(shù)隨摩擦?xí)r間的變化規(guī)律，可得：干摩擦中摩擦系數(shù)高達(dá)0.55，且摩擦系數(shù)并不穩(wěn)定；scCO2條件中摩擦系數(shù)降低至0.30，但超過一定時間后摩擦系數(shù)顯著增加；scCO2-WMQL中摩擦系數(shù)為0.31，且隨時間變化基本保持穩(wěn)定；scCO2-OMQL和scCO2-OoWMQL由于具有優(yōu)異的冷卻潤滑性能，摩擦系數(shù)降低至0.10。由此可以得出結(jié)論：在低溫射流中加入MQL潤滑介質(zhì)可顯著改善切削區(qū)的摩擦特性，從而達(dá)到控制切削力和切削溫度的目的。

圖5 不同CMQL條件下摩擦系數(shù)隨摩擦?xí)r間的變化規(guī)律[11]

3 典型難加工材料微量潤滑及低溫輔助切削機(jī)理

3.1 鈦合金

An Q.等[7]和梁旭等[12]研究了側(cè)銑鈦合金時在干切、scCO2、scCO2-WMQL及scCO2-OoWMQL四種切削環(huán)境下的刀具磨損、切削扭矩和表面形貌分布規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，盡管scCO2有優(yōu)異的冷卻性能，但是由于缺少M(fèi)QL的潤滑劑，最終導(dǎo)致刀具磨損量相對干切提高了111%。而scCO2-OoWMQL在抑制刀具磨損以及穩(wěn)定切削扭矩等方面有優(yōu)越性能，最終得到不同條件下后刀面磨損量的大小如圖6所示，其中scCO2>干切>scCO2-WMQL>scCO2-OoWMQL。Cai Xiaojiang等[13]通過研究MQL工作參數(shù)對切削鈦合金過程中切削力、刀具磨損以及加工表面質(zhì)量的影響發(fā)現(xiàn)，提高供油率可有效降低切削力和表面粗糙度，但隨著供油量的增加，切削刃的侵徹深度增加，切削刃的長度明顯縮短。Liu Z.等[14]通過研究干切和微量潤滑兩種方式車削鈦合金時的刀具磨損發(fā)現(xiàn)，與干切相比，MQL條件下刀具壽命顯著提升，微量潤滑可減小后刀面與工件的摩擦，延緩刀具磨損，防止涂層脫落。可以看出，在鈦合金切削加工中，為了抑制刀具磨損，潤滑似乎比冷卻更加重要。

圖6 不同冷卻潤滑條件下鈦合金銑削刀具磨損形貌[7]

3.2 不銹鋼

如圖7所示，姜立[9]對比了不同冷卻潤滑條件下車削304不銹鋼螺紋的切削力分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)在所有試驗(yàn)條件下，干式切削的合力均大于微量潤滑，而冷卻液澆注下切削合力最小，但微量潤滑在速度較高的切削條件下具有更加明顯的效果，在螺紋加工領(lǐng)域具有替代傳統(tǒng)濕式潤滑的可能性。同時在研究不同潤滑方式下切屑形態(tài)和刀具磨損的分布規(guī)律時發(fā)現(xiàn)，冷卻潤滑方式對于切屑形態(tài)的影響較小，但對刀具磨損形態(tài)產(chǎn)生重要作用。在干式切削時，刀具前刀面磨損以剝落磨損為主，黏著磨損為輔；微量潤滑時，前刀面磨損以黏著磨損為主，剝落磨損為輔；澆注式的前刀面是黏著磨損和剝落磨損共同作用，而刀具后刀面主要是黏著磨損。

圖7 三種潤滑方式下切削不銹鋼螺紋的最大切削合力對比[9]

3.3 鑄鐵

Tu L.等[15]對比了灰口鑄鐵、蠕墨鑄鐵和球墨鑄鐵三種材料在干切、scCO2以及scCO2-MQL三種環(huán)境下的切削力、切削溫度、表面粗糙度和刀具磨損差異。發(fā)現(xiàn)在三種加工環(huán)境中，scCO2-MQL條件下切削力、切削溫度和表面粗糙度值均最小，與干切相比，scCO2-MQL條件下的切削力減小了約26%～34%，切削溫度降低了約30%～40%，表面粗糙度Ra值降低了約15%～42%，刀具壽命延長了約20%～40%。由此可得，超臨界二氧化碳低溫微量潤滑切削加工憑借其出色的冷卻和潤滑效果可以顯著改善鑄鐵的切削性能。

3.4 高溫合金

Wang C.D.等[16]從刀具磨損機(jī)理方面對高溫合金在微量潤滑條件下的銑削加工進(jìn)行了系列化研究，獲得了不同冷卻潤滑條件下的刀具磨損變化規(guī)律。如圖8所示，研究發(fā)現(xiàn)，刀具出現(xiàn)嚴(yán)重崩刃現(xiàn)象，因此無涂層刀片不適用于加工高溫合金。而微量潤滑能有效延長涂層刀具的使用壽命，但MQL噴嘴沿刀具切出方向布置的潤滑效率要優(yōu)于沿刀具切入工件方向布置。崩刃、溝槽磨損和涂層剝落分別是干切削、沿切入和切出方向MQL的主要失效模式。

(a)逆銑

3.5 金屬基復(fù)合材料

Chen J.等[11]開展了不同冷卻潤滑條件下金屬基復(fù)合材料(TiB2/7075)切削性能研究。發(fā)現(xiàn)當(dāng)采用scCO2時，銑削溫度顯著降低；在scCO2-WMQL條件下，銑削溫度低于scCO2條件下的溫度；但在scCO2-OMQL條件下，銑削溫度高于scCO2條件下的溫度。低溫加工可以使銑削環(huán)境中的最高溫度降低10%以上，在scCO2-WMQL條件下可降低36.76%。低溫加工可以使切削區(qū)銑削溫度降低20%以上，在scCO2-WMQL條件下可降低40.88%。干切削條件下的刀具壽命最短，scCO2，scCO2-WMQL，scCO2-OMQL和scCO2-OoWMQL條件下的刀具壽命增長，與干切相比，分別增加了38.46%，98.08%，117.31%和198.08%。特別是scCO2-OoWoMQL在延長硬質(zhì)合金刀具壽命方面具有相當(dāng)大的優(yōu)越性。

3.6 CFRP及CFRP/Ti疊層結(jié)構(gòu)

Zou F.等[17]研究了CFRP層壓板在低溫條件下的加工性能，特別關(guān)注了銑削溫度、銑削力、表面質(zhì)量和表面生成機(jī)理，分析了不同切削參數(shù)下冷卻潤滑環(huán)境對CFRP銑削性能的影響。如圖9所示，發(fā)現(xiàn)在低溫輔助微量潤滑條件下加工表面質(zhì)量最好。在所有切削環(huán)境中，切削力和切削溫度隨切削參數(shù)的變化相似。同時研究結(jié)果表明，冷卻潤滑條件對CFRP復(fù)合材料切削加工中材料去除和表面創(chuàng)成機(jī)理均有影響，一方面可歸因于避免碳纖維和樹脂基體性能退化，另一方面可歸因于刀具側(cè)面和加工表面之間的摩擦系數(shù)變化。該工作首次驗(yàn)證了CMQL冷卻潤滑方法應(yīng)用于復(fù)合材料加工的可行性。

圖9 不同冷卻潤滑條件下切削加工CFRP表面及邊緣質(zhì)量[17]

Xu J.等[18]對MQL在CFPR/Ti疊層結(jié)構(gòu)鉆削過程中的適用性展開研究發(fā)現(xiàn)，對于兩相材料而言，MQL的引入會增大鉆削過程中軸向力，切削過程中CFRP層產(chǎn)生粉末狀切屑，在潤滑油作用下黏聚成團(tuán)并黏附在刀具表面上，從而增大了刀具表面與工件間的摩擦力，導(dǎo)致軸向力上升。

4 微量潤滑及低溫輔助切削加工表面完整性

在加工過程中，改變冷卻潤滑環(huán)境會對切削力和切削溫度等產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致加工表面完整性隨之動態(tài)演變，針對不同加工方式下冷卻潤滑環(huán)境對加工表面完整性的作用規(guī)律，上海交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)也開展了系列研究工作。

4.1 鉆削加工表面完整性

Ji M.等[19]研究了不同冷卻潤滑環(huán)境下鉆削CFRP/Ti疊層結(jié)構(gòu)的加工性能，發(fā)現(xiàn)在干切削環(huán)境下CFRP孔壁出現(xiàn)了嚴(yán)重機(jī)械和熱損傷，纖維拔出、纖維/基體脫粘以及鈦合金切屑劃痕主導(dǎo)了孔壁的損傷模式。而在MQL條件下，CFRP孔壁質(zhì)量得到了顯著提升，孔壁表面較為光滑平整，無明顯宏觀缺陷(見圖10)。

(a)干切削

同時，Xu J.等[20]發(fā)現(xiàn)MQL條件下鉆削扭矩整體呈下降趨勢，意味著在MQL環(huán)境下鉆頭與孔壁間的摩擦力降低，進(jìn)而使孔壁質(zhì)量得到了有效提升。另外，MQL對于提高CFRP/Ti疊層結(jié)構(gòu)的制孔精度有明顯作用。在MQL環(huán)境下，CFRP層孔徑偏差得到了大幅改善，在高速條件下這一現(xiàn)象更為明顯。對于鈦合金層而言，原本的擴(kuò)孔偏差變?yōu)榭s孔偏差。

4.2 銑削加工表面完整性

Cai C.等[21]在銑削鈦合金TC4時研究了scCO2、scCO2-WMQL和scCO2-OoWMQL四種冷卻潤滑環(huán)境對加工表面形貌和表面粗糙度的作用。結(jié)果表明，在scCO2-OoWMQL切削環(huán)境下，加工表面質(zhì)量最好，表面粗糙度最小，而單純scCO2環(huán)境下由于刀-工接觸區(qū)摩擦情況惡化，導(dǎo)致加工表面質(zhì)量最差(見圖11)。同時分析了四種切削環(huán)境下已加工表面輪廓及其頻譜和切削力及其頻譜，發(fā)現(xiàn)拍振發(fā)生時表面輪廓的主頻等于切削力包絡(luò)的主頻(拍振頻率)，scCO2-OoWMQL和scCO2-WMQL可以很好提高銑削穩(wěn)定性。Tu L.等[15]也研究了不同冷卻潤滑條件下銑削灰口鑄鐵、蠕墨鑄鐵和球墨鑄鐵時亞表面層組織分布。如圖12所示，在切削過程中，晶粒沿著進(jìn)給方向發(fā)生塑性變形，石墨易斷裂，但CMQL條件下加工表面光滑平整，晶粒變形更加均勻。

圖11 不同冷卻潤滑條件下加工鈦合金表面粗糙度隨切削參數(shù)演變規(guī)律[21]

圖12 不同冷卻潤滑條件下銑削灰口鑄鐵、蠕墨鑄鐵和球墨鑄鐵亞表層組織[15]

4.3 磨削加工表面完整性

Dang J.等[8]將微量潤滑及低溫輔助技術(shù)應(yīng)用在超高強(qiáng)鋼的磨削加工中，對比了干磨、冷卻液澆注、scCO2和scCO2-OoWMQL四種冷卻潤滑條件下加工表面完整性的分布規(guī)律。發(fā)現(xiàn)相比干磨削和澆注式磨削，scCO2磨削表面輪廓的最大高度急劇減少，加工表面質(zhì)量大幅度提升(見圖13)。

圖13 不同冷卻潤滑條件下磨削表面三維形貌[8]

在scCO2-OoWMQL條件下，磨削表面質(zhì)量不如scCO2條件下好，磨削表面出現(xiàn)了輕微涂覆現(xiàn)象。分析發(fā)現(xiàn)，這是由于磨削過程產(chǎn)生的高溫高壓使微量潤滑油膜發(fā)生破裂，導(dǎo)致水滴附著在砂輪和工件表面，加上超高強(qiáng)鋼切屑的黏性，使得砂輪局部出現(xiàn)堵塞，導(dǎo)致磨粒參與切削的刃口變鈍，最終磨削表面殘留材料。相比其他磨削環(huán)境，scCO2能在加工表面產(chǎn)生更深的晶粒細(xì)化層。Dang J.等[22]采用新型聚焦離子束切割(FIB)表征技術(shù)從磨削表面提取了表層TEM試樣，分析了表層組織分布特征，發(fā)現(xiàn)晶粒大小沿深度方向呈現(xiàn)出明顯的梯度分布特征，最表層出現(xiàn)超細(xì)納米晶，然后是超細(xì)晶、超細(xì)板條和位錯結(jié)構(gòu)，揭示了磨削表面強(qiáng)化層組織演變的機(jī)理。如圖14所示，在外界機(jī)械作用下，晶粒發(fā)生塑性變形，內(nèi)部位錯出現(xiàn)大幅度增殖。在變形過程中，位錯開始出現(xiàn)相互纏結(jié)，形成位錯墻，位錯墻吸收周圍的位錯形成位錯胞，位錯胞屬于不穩(wěn)定的亞晶粒，在變形過程中逐漸演變成為最終的晶粒。此外，在變形層中還可以觀察到明顯的碳化物彌散析出現(xiàn)象。同時對比了不同冷卻潤滑條件下表面殘余應(yīng)力的分布發(fā)現(xiàn)，相比于干磨削和澆注式磨削，低溫射流磨削可以在表面引入較大幅值的殘余壓應(yīng)力。

圖14 磨削表面強(qiáng)化層組織演變機(jī)理[22]

5 結(jié)語

本文簡要回顧了近幾年來上海交通大學(xué)在難加工材料MQL及CMQL加工方面的部分研究成果，主要涵蓋微量潤滑流場分布建模與試驗(yàn)、微量潤滑及低溫輔助切削摩擦磨損特性、典型難加工材料(如鈦合金、高溫合金、不銹鋼和復(fù)合材料等)微量潤滑及低溫輔助切削機(jī)理、微量潤滑及低溫輔助切削對不同加工方式下表面完整性創(chuàng)成的作用等，研究內(nèi)容包括微量潤滑流場、刀屑摩擦系數(shù)、切削力、切削溫度、切削表面質(zhì)量及刀具磨損機(jī)理等指標(biāo)隨冷卻潤滑條件變化的規(guī)律，揭示了相應(yīng)的機(jī)理，這些研究成果對于加速清潔切削相關(guān)技術(shù)在我國的推廣應(yīng)用具有十分重要的參考意義。