低溫冷風(fēng)微量潤滑在30CrMnSi結(jié)構(gòu)鋼切削加工中的應(yīng)用

高巍,劉波,李長河,張彥彬,陶桂寶,趙巍,聶曉霖,饒春紅,孫勇,楊偉

1四川新航鈦科技有限公司;2青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院;3重慶大學(xué);4成都工具研究所有限公司;5南京科潤工業(yè)介質(zhì)股份有限公司

1 引言

30CrMnSi是一種中碳鋼,材料硬度高,調(diào)質(zhì)后具有很高的強(qiáng)度和韌性,常用于航空航天行業(yè)中飛機(jī)起落架的材料。在起落架產(chǎn)品生產(chǎn)加工過程中,受材料塑性變形和摩擦力的影響,切削區(qū)域會產(chǎn)生大量切削熱,容易導(dǎo)致刀具的刃口變形,使產(chǎn)品的表面質(zhì)量下降,刀具受損嚴(yán)重[1]。因此,加工時(shí),需對切削區(qū)域進(jìn)行充分冷卻,以保障產(chǎn)品質(zhì)量,確保尺寸精度及穩(wěn)定性,同時(shí)延長刀具壽命。

目前,常用的冷卻潤滑方式主要為切削液澆注式冷卻,即利用固體與液體間的熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行散熱。而澆注式冷卻潤滑的使用成本相對高昂,污染嚴(yán)重且威脅工人的身體健康,不符合綠色制造發(fā)展需求。

微量潤滑技術(shù)(MQL)是介于干切與濕切間的一種環(huán)境友好型冷卻潤滑技術(shù),通過壓縮空氣生成微米級油霧,再通過內(nèi)冷刀柄或外接噴嘴直接噴射至加工區(qū)域進(jìn)行冷卻潤滑。在適宜的工藝參數(shù)下,微量潤滑油霧的用量極低,采用可降解的微量潤滑油可以確保對環(huán)境無污染。微量潤滑技術(shù)還可以滿足部分不能使用切削液冷卻的潤滑材料加工需求,如鎂合金及復(fù)合材料加工。微量潤滑僅依靠高壓氣體對切削區(qū)域進(jìn)行冷卻,冷卻效率不足限制了其在航空航天領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用。

低溫冷風(fēng)微量潤滑技術(shù)(CW-MQL)兼具微量潤滑技術(shù)與低溫冷風(fēng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn),其加工效果優(yōu)于MQL[2]。冷風(fēng)溫度要求在-60℃～-30℃間,通過冷風(fēng)裝置將壓縮氣體降溫后,再與微量潤滑油混合并生成低溫油霧,噴射至切削區(qū)域進(jìn)行冷卻潤滑。低溫冷風(fēng)微量潤滑可為切削區(qū)域帶來更大的溫度梯度,熱傳導(dǎo)速率更高,冷卻效果更好,其低溫特性可使金屬材料表面發(fā)生低溫脆性斷裂傾向,從而提高材料的加工性能,降低切削力,進(jìn)而抑制切削熱的生成。

低溫冷風(fēng)微量潤滑技術(shù)最早于1996年由日本明治大學(xué)的橫川和彥教授提出,通過可行性研究并奠定了理論基礎(chǔ)[3]。雖然我國低溫冷風(fēng)微量潤滑技術(shù)起步較晚,但已廣泛開展相關(guān)研究工作并取得不錯(cuò)的成果。北京航空航天大學(xué)袁松梅等[3]采用自主研發(fā)的低溫冷風(fēng)微量潤滑設(shè)備,已完成對鋁合金、鈦合金及高強(qiáng)鋼等材料的加工實(shí)驗(yàn),效果良好。

目前,低溫冷風(fēng)微量潤滑技術(shù)已逐漸從一種冷卻技術(shù)向一種冷卻工藝發(fā)展,本文針對不同產(chǎn)品,研究了冷卻參數(shù)的相應(yīng)調(diào)整工藝,并將冷卻工藝參數(shù)納入低溫冷風(fēng)微量潤滑加工產(chǎn)品的加工工藝參數(shù)考慮中,以實(shí)現(xiàn)對冷卻潤滑的精確調(diào)控。

2 30CrMnSi結(jié)構(gòu)鋼加工實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用低溫冷風(fēng)微量潤滑設(shè)備,由重慶大學(xué)陶桂寶教授自主研發(fā)的低溫冷風(fēng)微量潤滑設(shè)備可實(shí)現(xiàn)參數(shù)化調(diào)控低溫油霧的輸出,可以控制冷卻介質(zhì)溫度、低溫油霧流量和壓力等參數(shù)。低溫冷風(fēng)的最低溫度為-60℃,溫度及油氣流量均參數(shù)化可調(diào),可設(shè)置不同的冷卻工藝參數(shù),適配各產(chǎn)品的各個(gè)工序。

微量潤滑油選用南京科潤的清潔切削油KR-MQL15,該切削油為合成酯基微量潤滑油,黏度適宜,霧化性能好,氣味小、油煙少且不含重金屬及硫、磷、氮等元素,在-40℃工作環(huán)境下仍可保持穩(wěn)定性能。切削油的各項(xiàng)性能見表1。

表1 KR-MQL15微量潤滑油性能

實(shí)驗(yàn)刀具由成都工具研究所提供,刀具設(shè)計(jì)過程中建立力學(xué)模型進(jìn)行應(yīng)力分析和振動(dòng)分析,以計(jì)算或驗(yàn)證刀具的結(jié)構(gòu)形式和具體尺寸。以降低慣性離心力、避免應(yīng)力集中、減小彎曲變形、減少磨擦和增加疲勞強(qiáng)度為設(shè)計(jì)原則來精密設(shè)計(jì)刀具的各項(xiàng)參數(shù),通過切削實(shí)驗(yàn)確定切削角度。設(shè)計(jì)有特殊的斷屑槽,以控制切屑大小和排出方向,進(jìn)而控制切屑飛濺,并通過高壓氣體實(shí)現(xiàn)便捷排屑,避免切屑堆積。

如圖1所示,刀具刃口采用微刃帶設(shè)計(jì),圓柱刃帶精準(zhǔn)控制在0.05～0.1mm。在裝夾可靠的前提下,極小的刃帶可以保證刀具刃口很小的跳動(dòng),使被加工表面質(zhì)量更好。同時(shí),也保證了銑刀在高速加工中具有更好的動(dòng)平衡,延長了刀具壽命,保護(hù)了機(jī)床主軸精度。由于存在極小的圓柱刃帶,可在不影響刀具鋒利度的情況下加強(qiáng)刃口強(qiáng)度,減小刃口崩缺的可能性和延長刀具壽命。

圖1 刃口結(jié)構(gòu)

以30CrMnSi結(jié)構(gòu)鋼的飛機(jī)起落架零件為實(shí)驗(yàn)對象材料,材料狀態(tài)為熱處理前。實(shí)驗(yàn)對象的切削區(qū)域不存在閉角、深腔或深孔結(jié)構(gòu),所有工序中不存在油氣噴射盲區(qū),可保證低溫油氣充分作用至加工區(qū)域,零件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)中的被加工工件

實(shí)驗(yàn)主要切削參數(shù)見表2,實(shí)驗(yàn)參數(shù)沿用切削液澆注式冷卻現(xiàn)行的工藝參數(shù),未進(jìn)行適配性調(diào)整。

表2 工件的切削參數(shù)

使用低溫冷風(fēng)微量潤滑技術(shù)順利完成了實(shí)驗(yàn)件的初次加工,但由于切削參數(shù)未進(jìn)行適配,局部區(qū)域冷卻不到位,導(dǎo)致表面粗糙度較差。加工過程中,由于壓縮空氣氣源濕度較高且未及時(shí)處理,噴管處出現(xiàn)冷凝結(jié)冰,影響低溫油氣噴射效果。低溫油氣噴射后,工件表面局部區(qū)域出現(xiàn)冷凝水,因處理不及時(shí)導(dǎo)致零件出現(xiàn)銹斑,實(shí)驗(yàn)過程如圖3所示,加工后實(shí)驗(yàn)件表面如圖4所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)加工過程

圖4 加工后的表面

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,參數(shù)優(yōu)化主要遵循以下原則:當(dāng)加工工序中存在切削量較大、冷卻不充分時(shí),可適當(dāng)降低冷風(fēng)溫度,提升油霧噴射流量;在保障相同加工效率的前提下,可以選擇小切深、大進(jìn)給的切削參數(shù)優(yōu)于大切深、小進(jìn)給的切削參數(shù);在不影響表面質(zhì)量的前提下,可適當(dāng)降低轉(zhuǎn)速;對腔、孔等特征進(jìn)行加工時(shí)應(yīng)考慮走刀方式是否能保證低溫油霧有效噴射至加工區(qū)域。

對壓縮空氣進(jìn)行除濕處理后,冷凝結(jié)冰現(xiàn)象得到緩解,表面銹斑問題得到解決。根據(jù)上述原則進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化并適配工藝參數(shù),冷卻潤滑效果更佳,表面質(zhì)量得到相應(yīng)改善。優(yōu)化后的切削參數(shù)見表3。

表3 優(yōu)化后的切削參數(shù)

優(yōu)化參數(shù)后進(jìn)行實(shí)驗(yàn),工件的表面質(zhì)量如圖5所示,切削液澆注式冷卻潤滑獲得的加工表面粗糙度為Ra3.2,低溫冷風(fēng)微量潤滑實(shí)現(xiàn)的表面粗糙度為Ra0.44,可見,優(yōu)化后的工藝對加工表面質(zhì)量有顯著提升。

圖5 采用優(yōu)化參數(shù)后的工件表面質(zhì)量

3 低溫冷風(fēng)微量潤滑冷卻工藝應(yīng)用

隨著航空航天技術(shù)發(fā)展,高性能材料逐漸推廣應(yīng)用,傳統(tǒng)澆注冷卻方式受限于冷卻介質(zhì)本身及冷卻效率,難以滿足航空航天高性能材料的加工需求。

鈦合金具有比強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、耐熱性高等優(yōu)良綜合性能,在航空航天領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用于飛行器機(jī)體、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、機(jī)匣等關(guān)鍵耐疲勞結(jié)構(gòu)件。但是,鈦合金導(dǎo)熱率低,加工時(shí)刀具吸熱嚴(yán)重,刀具磨損加快并使切削熱上升,影響加工效率和成品最終尺寸,且鈦合金在加工過程中若產(chǎn)生切削過熱形成蝕點(diǎn),則極易與空氣中的氫元素產(chǎn)生反應(yīng)形成氫脆。鎳基合金具有良好的熱導(dǎo)性、熱穩(wěn)定性和熱疲勞性,已成為航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)葉輪、葉片、機(jī)匣燃燒段的主要材料,但鎳基合金的硬度高,加工過程中存在切削力大、切削溫度高的問題,會導(dǎo)致刀具磨損嚴(yán)重,切削效率低,難以穩(wěn)定保證尺寸精度。鎂合金具有密度低、重量輕、比強(qiáng)度好、比剛度高、阻尼性及導(dǎo)熱性好、電磁屏蔽能力強(qiáng)等優(yōu)良綜合性能,在航空航天及軍事工業(yè)領(lǐng)域中,一般應(yīng)用于導(dǎo)彈艙段、雷達(dá)罩體等輕質(zhì)高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)件[4],由于鎂合金的化學(xué)活性高,易與切削液中的極性添加劑反應(yīng),導(dǎo)致切削液失效及零件表面腐蝕。同時(shí)鎂合金的燃點(diǎn)低(520℃),采用干式切削易出現(xiàn)切削熱堆積達(dá)到燃點(diǎn),引發(fā)火災(zāi)導(dǎo)致事故。

低溫冷風(fēng)微量潤滑中的低溫氣體具有高效對流換熱機(jī)制,切削油有優(yōu)異的潤滑性能,可以為航空航天領(lǐng)域金屬加工的冷卻方式提供更多選擇[5]。加工中需根據(jù)具體條件選擇適宜的冷卻潤滑技術(shù)。例如在先進(jìn)的刀具材料及自潤滑涂層支持下,干式切削是部分鋼件環(huán)保經(jīng)濟(jì)的冷卻潤滑方案選擇;切削液澆注式冷卻潤滑具有更強(qiáng)的通用性,使用便捷,應(yīng)用范圍廣;相較于切削液澆注式冷卻潤滑,微量潤滑技術(shù)及低溫冷風(fēng)微量潤滑技術(shù)更環(huán)保,其噴射的高壓氣體有很好的排屑效果,在部分工況下(如深孔加工)有獨(dú)特優(yōu)勢,可以高效排屑,避免切屑擠壓劃傷孔壁,作為切削液的替代品,加工油也可以避免金屬表面腐蝕[6]。

在了解低溫冷風(fēng)微量潤滑技術(shù)特點(diǎn)的前提下,根據(jù)所加工產(chǎn)品的工藝,將冷卻工藝參數(shù)納入整體加工工藝協(xié)同研究,將冷卻溫度、油霧流量、轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度、背吃刀量以及刀路軌跡規(guī)劃納入工藝考量,最終實(shí)現(xiàn)綠色環(huán)保、高效和高質(zhì)量加工。例如在批量生產(chǎn)某重型離心機(jī)中的30CrMnSi材質(zhì)精密定位銷時(shí),通過借鑒上述實(shí)驗(yàn)件工藝參數(shù)及冷卻潤滑手段,改善了工件表面粗糙度,保障了批產(chǎn)件的尺寸穩(wěn)定。

4 結(jié)語

目前,低溫冷風(fēng)微量潤滑技術(shù)發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟,而低溫冷風(fēng)微量潤滑的工作機(jī)理與澆注切削液式冷卻不同,低溫冷風(fēng)微量潤滑技術(shù)的作用區(qū)域有更明確的指向性,這種指向性在實(shí)現(xiàn)環(huán)保的同時(shí),也要求其切削工藝參數(shù)需進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化調(diào)整,即將低溫冷風(fēng)微量潤滑的冷卻參數(shù)(溫度及介質(zhì)流量等)與轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度及背吃刀量進(jìn)行適配性研究,是低溫冷風(fēng)微量潤滑技術(shù)在工程應(yīng)用階段的技術(shù)關(guān)鍵,而工藝參數(shù)的適配也是低溫冷風(fēng)微量潤滑技術(shù)進(jìn)一步推廣應(yīng)用的必然方向。

通過對30CrMnSi結(jié)構(gòu)鋼件加工工藝參數(shù)進(jìn)行適配性研究,以小切深、高進(jìn)給加工策略保障加工效率,相較于澆筑切削液式冷卻潤滑,加工效率提升20%以上。切削油潤滑效果優(yōu)良,局部區(qū)域表面粗糙度由Ra3.2提升至Ra0.44。加工過程僅使用少量可降解的潤滑油,加工后無任何廢液產(chǎn)生,無需進(jìn)行危廢處理,真正實(shí)現(xiàn)了綠色環(huán)保、高效和高質(zhì)量加工,是低溫冷風(fēng)微量潤滑技術(shù)在航空航天領(lǐng)域的典型應(yīng)用。

低溫冷風(fēng)微量潤滑對30CrMnSi結(jié)構(gòu)鋼等高性能材料精密加工有很高的應(yīng)用價(jià)值,冷卻潤滑環(huán)節(jié)高效可控,將生產(chǎn)制造中冷卻潤滑環(huán)節(jié)納入可考量控制的范圍,顯著提升了工藝穩(wěn)定性和可靠性。