聚酰亚胺的冷风微量润滑辅助切削工艺

图1 工件及刀具实物图

Fig.1 Physical picture of workpiece and tool

由于工程塑料弹性模量低,受刀具挤压力发生的弹性变形显著,导热性和耐热性差,易造成刀具磨损,所以应选用锋利、导热性好的刀具,这样利于切削和排屑^[24].实验刀具采用三菱整体硬质合金4刃MSTAR圆弧头型立铣刀,型号为MMS4MRB,涂层为单层致密Ti-Al-N,铣刀螺旋角30°~40°,刀具的结构参数与实物见图1(b).其切削直径D_C=8 mm,刀尖半径R_E=0.5 mm,最大切削深度d_max=19 mm,刀具功能长度L_F=60 mm,并且连接直径 D_CON=8 mm,刀杆的加工精度等级为h6.表1为多孔聚酰亚胺毛坯及铣刀的热力物理性能参数^[25].

表1 多孔聚酰亚胺及硬质合金热力物理性能

Tab.1 Thermophysical properties of porous polyimide and cemented carbide

材料物理参数	工件	刀具
密度ρ/(kg·m^-3)	1400	14500
弹性模量E/GPa	3.61	640
泊松比ν	0.34	0.22
热传导率k/(W·m^-1·K^-1)	0.85	75.4

1.2 冷风微量润滑平台的搭建

本实验构建的冷风微量润滑辅助加工平台见图2(a),该平台由气源供给系统、射流制冷系统、润滑油供给系统3部分组成.采用SUNAIR PMPM15-S连续喷雾设备,如图2(b)所示.首先气源供给系统供应稳定的高压气体(0.4~0.8 MPa),一部分气体输送至射流制冷系统,形成高压冷气流经喷嘴射出,喷射雾化面积可通过喷嘴位置和角度调整;另一部分气流经过脉冲频率调节装置,带动微量润滑油流动至涡流管冷却枪射出,润滑油耗油量由脉冲频率调节器和油量调节器控制.最后低温高压油雾通过冷风枪喷射至切削区域.设备工作参数见表2.润滑剂采用UNIST Coolube2210天然植物润滑油.

图2

图2 冷风微量润滑系统

Fig.2 CMQL system

表2 冷风微量润滑设备参数

Tab.2 Parameters of CMQL equipment

参数	取值
入口压力/MPa	0.69
耗气量/(L·min^-1)	420
制冷量/W	293
冷气温度/℃	-5~-10
耗油量/(mL·h^-1)	50~400
油桶容积/mL	600

1.3 实验装置

CMQL铣削实验在DOOSAN DNM515数控加工中心上进行;采用KISTLER 9257B测力仪和数据分析软件Dyno-Ware对切削力信号采集和分析;采用SMART SENSOR ST9450红外热影像仪测量切削温度;采用Easson-EV2515影像仪和配套的Easson 2D光学视觉量测软件对切屑形貌进行观测和分析;采用ALICONA Infinite-Focus G4轮廓扫描仪测量工件表面粗糙度;采用HITACHI S-3400N扫描电镜观测材料表面孔道堵塞情况.实验装置如图3所示.

图3

图3 多孔聚酰亚胺CMQL切削实验平台

Fig.3 Porous polyimide cutting experiment platform of CMQL

测试含油率前对已加工样件称重,记录原始质量.然后将全部样件放置润滑油(AeroShell Fluid 41)中浸油24 h,保证样件将润滑油吸收饱和,记录初始含油质量.完成浸油后使用离心机在室温下按照 3000 r/min工况进行5 min甩油.甩油后使用电容器纸将样件表面润滑油擦拭干净,记录结束含油质量.含油率P和输油率δ定义如下:

(1)P=(W₂-W₁)/W₂

(2)δ=(W₂-W₃)/W₂

式中:W₁为样件干重;W₂为样件初始含油质量;W₃为样件甩油后质量.

实验仪器为良平FA2004电子天平及安亭TGL-15B高速离心机.

2 不同润滑条件下的多孔材料切削性能对比

2.1 实验方案

开展CMQL、低温冷风(不加冷却液)、干切削等3种润滑方式的面铣对比实验(见表3),每组条件开展3次实验,测量切削温度、工件表面粗糙度和微观形貌,取测量结果平均值作为参考,研究CMQL辅助加工条件下的冷却和润滑特性,其中冷风微量润滑切削条件下的喷油量为0.06 L/h.实验选用的切削参数根据热塑性塑料的铣削用量推荐表确定^[26],并保证其在刀具供应商提供的参数范围内(下同).

表3 不同润滑条件下铣削参数

Tab.3 Milling parameters under different lubrication conditions

组号	切削润滑条件	切削速度v_c/ (m·min^-1)	进给量f_z/ (mm·r^-1)	轴向深度 a_p/mm	径向深度 a_e/mm
A	干切削	90	0.2	1.0	4
B	低温冷风切削	90	0.2	1.0	4
C	CMQL	90	0.2	1.0	4

2.2 实验结果分析

图4所示为3种润滑方式下的工件切削温度对比图.数据显示干切削的切削温度最高(19.4 ℃);低温冷风的切削温度次之(9.1 ℃,减少53%);CMQL的切削温度最小(5.6 ℃,减少71%).由于高分子塑料导热性差,大量切削热堆积在切削区域,而高速高压的低温气流喷射至切削区域,可以带走大量切削热,所以低温冷风和CMQL切削均可以显著降低切削温度.另外,CMQL包含的微量润滑油在切削区域发生汽化,由液相转变为气相的过程会吸收一部分热量,使得CMQL切削表现出最佳的冷却润滑结果.

图4

图4 不同润滑方式下的切削温度

Fig.4 Cutting temperature under different lubrication methods

图5所示为5种润滑方式下的已加工表面粗糙度(Ra),结果表明干切削下的Ra最大(2.318 μm),低温冷风的Ra次之(1.342 μm,减小42%),CMQL的Ra最低(0.916 μm,减少60%).分析认为在干切削过程中,刀具与工件和切屑的摩擦面无任何冷却润滑条件,工件表面被刀具挤压时,接触面的摩擦力增大,表面粗糙度增大;CMQL的低温气流会降低切削区域温度,聚酰亚胺塑性随之降低,刀具可以轻易撕裂表面材料,减小表面粗糙度.

图5

图5 不同润滑方式下的已加工表面粗糙度

Fig.5 Machined surface roughness under different lubrication methods

图6所示为3种润滑方式下已加工表面形貌(放大 2000 倍和500倍).图6(a)显示材料表面呈铺叠状,片状组织将孔道基本覆盖,仅有少量多孔流道(1、2、3区域)暴露.大量微小切屑依附在片状组织两侧,对多孔结构产生堵塞.多孔流道内部呈孔径小且疏松的状态.图6(b)中的多孔流道(1、2区域)主要分布在中间位置,左侧为已压实的片状组织,右侧存在明显刀痕.残留的微小切屑多附着在片状组织上,在多孔区域分布较少.放大 2000 倍图显示材料表面发生拉丝现象,多孔流道特点为直径大、密度高,有利于润滑油的储存.图6(c)显示工件表面的少量微小切屑与片状组织交织,存在工件拉丝现象,多孔流道(1、2区域)呈直径大、分布广及内部连通的特点.将工件表面形貌横向对比发现:干切削的多孔流道最少,低温冷风切削次之,CMQL切削得到的多孔流道数最多.

图6

图6 不同润滑方式下的工件微观形貌

Fig.6 Micro-morphology of workpieces under different lubrication methods

综上,与干切削和低温冷风切削相比,CMQL切削具有最低的切削温度和表面粗糙度,同时保证最多的表面微孔流道数,说明CMQL对于多孔材料切削的低损伤加工具有一定优势.

3 多孔材料的CMQL切削加工实验研究

3.1 实验方案

利用CMQL开展正交实验(见表4),进一步探究铣削参数对切削力、切屑、加工表面质量及含油率的影响,优化切削加工工艺.为了尽量包含最优参数,预先选定较大的水平范围.

表4 正交实验参数

Tab.4 Orthogonal test parameters

组号	切削速度 v_c/(m·min^-1)	进给量 f_z/(mm·r^-1)	轴向深度 a_p/mm	径向深度 a_e/mm
1	75	0.10	0.5	4
2	75	0.25	1.0	4
3	75	0.40	1.5	4
4	100	0.10	1.0	4
5	100	0.25	1.5	4
6	100	0.40	0.5	4
7	125	0.10	1.5	4
8	125	0.25	0.5	4
9	125	0.40	1.0	4

3.2 切削力

图7所示为9组铣削参数下的切削合力数据,使用极差分析法对切削合力进行分析.其中R_A~R_C为切削合力在三水平下均值的极差值(A~C分别为v_c、f_z、a_p,下同),计算得到R_A=3.96 N,R_B=10.48 N,R_C=13.95 N,即三因素对切削合力影响的由主到次顺序为a_p>f_z>v_c.其中v_c对铣削合力的影响较小,实际加工中为提高加工效率,v_c可以在合理的范围内选择较大值.根据切削力确定最佳切削水平组合为v_c=100 m/min,f_z=0.4 mm/r,a_p=0.5 mm.

图7

图7 不同切削参数时的铣削合力对比

Fig.7 Comparison of milling force at different cutting parameters

3.3 表面粗糙度

保持架表面粗糙度的大小会影响保持架与滚子的兜孔间隙,进而改变保持架质心轨迹和滚子与保持架的接触应力^[27].当粗糙度增大时,保持架与滚子和引导套圈间的摩擦力增大,保持架的公转速度降低,致使保持架打滑率增大,保持架的稳定性降低.

图8所示为9组铣削参数下工件已加工表面粗糙度,利用上述分析方法计算得R_A=0.04 μm,R_B=0.76 μm,R_C=0.56 μm,三因素对表面粗糙度的总体影响排序为f_z>a_p>v_c.将v_c=75,100,125 m/min 的3个表面粗糙度相加并取平均值为 ${\bar{K}}_{A 1}$ 、 ${\bar{K}}_{A 2}$ 、 ${\bar{K}}_{A 3}$ ,计算得 ${\bar{K}}_{A 1}$ =1.76 μm, ${\bar{K}}_{A 2}$ =1.17 μm, ${\bar{K}}_{A 3}$ =1.73 μm,可知加工过程中随着切削速度的提高,工件表面粗糙度先减小后增大,临界值为v_c=100 m/min.将a_p=0.5,1.0, 1.5 mm的3个表面粗糙度相加并取平均值为 ${\bar{K}}_{C 1}$ 、 ${\bar{K}}_{C 2}$ 、 ${\bar{K}}_{C 3}$ ,计算得到 ${\bar{K}}_{C 1}$ =1.20 μm, ${\bar{K}}_{C 2}$ =1.77 μm, ${\bar{K}}_{C 3}$ =1.69 μm,可以看出轴向铣削深度增加的情况下,工件表面粗糙度的变化情况为先增大后减小,临界值为 a_p>1 mm.根据表面粗糙度确定最佳切削水平组合为v_c=100 m/min,f_z=0.1 mm/r,a_p=0.5 mm.

图8

图8 不同切削参数时的表面粗糙度对比

Fig.8 Comparison of surface roughness at different cutting parameters

3.4 切屑形态

切屑形态可以反映出不同切削参数及冷却条件下的材料切削性能和已加工表面质量.图9所示为影像仪测绘的9组切屑形态,切屑类型为带状卷曲切屑,基本形状为带状长条,内表面光滑,外表面粗糙并有明显刀痕,带状边缘产生不同程度撕裂的毛边.将9组切屑简化为圆柱体进行体积比较:最小组为第1组(0.481 mm³),第6组(0.542 mm³)次之,最大组为第9组(4.294 mm³).

图9

图9 不同切削参数时的切屑形态(mm)

Fig.9 Chip shape at different cutting parameters (mm)

切屑表面平整度可反映出加工过程中工件表面损伤情况,严重的切屑撕裂会造成材料表面微孔流道发生形变甚至塌陷.另外,稳定的切屑带宽可以提高铣削加工的稳定性,保证材料表面微孔流道的均布,提高工件整体含油及输油性能.因此,切屑表面平整度和带宽稳定度成为评价切屑形态的关键指标.从切屑外表面平整度考虑,第3组与第9组的切屑表面撕裂效果最为严重,表面平整度低,与之带来的是这两组的表面粗糙度在9组实验中也是最高的, 第1、4、6组的切屑外表面较为平整,无明显撕裂等加工缺陷.从切屑带宽稳定度分析,第5组的切屑带宽变化较大,稳定度最低;第1组与第2组的切屑带宽波动最小,螺卷较稳.为获得较为良好的切屑形态对切削参数的优组合进行选择为v_c=75 m/min,f_z=0.1 mm/r,a_p=0.5 mm.

3.5 微观形貌

放大1000倍的9组已加工表面微观形貌如图10所示.可以看出,第3组存在工件拉丝、第5组存在明显刀痕、第6组存在表面微裂纹,第7组存在严重的微孔流道堵塞,9组实验的工件表面均存在切屑附着,其中第4、5组的切屑体积较大.第3组的表面微孔流道数目最多,润滑油可以良好被吸入工件材料完成主动供油任务;第7组的表面为微孔流道数目最少,其原因除去大量切屑堵塞,还有工件外部切削层被刀具挤压过后导致塑性变形,进而沿刀具进给方向将孔道覆盖.综上,针对切削参数的优组合进行选择为v_c=75 m/min,f_z=0.4 mm/r,a_p=1.5 mm.

图10

图10 不同切削参数下的工件表面形貌图

Fig.10 Images of workpiece surface at different cutting parameters

3.6 含油率

多孔保持架作为轴承高速工作过程中的油库,其润滑油储存性能对轴承长时工作稳定性及工作寿命有非常大的影响.对多孔保持架浸油、甩油工艺研究的目的是将润滑剂储存到多孔材料内部的微孔结构之中,研究多孔保持架的含油率及输油率.图11所示为9组样件浸油、离心后的含油率及输油率情况.可以看出含油率与输油率有相似的变化趋势,其中含油率及输油率最低的为第7组(9.22%、7.21%),其原因为第7组的微观形貌发生大面积流道堵塞现象,润滑油无法良好地浸入聚酰亚胺微孔流道内部,难以提供足量润滑油形成润滑膜.含油率及输油率最高的为第9组(18.37%、9.94%),配合第9组的微观形貌分析,虽然其表面存在微小碎屑,但工作的多孔流道体积仍是最大的.

图11

图11 样件的含油率及输油率

Fig.11 Oil content and oil delivery rate of samples

对比三因素的影响因子R,得到切削参数对材料含油率影响次顺序为a_p>f_z>v_c.将a_p=0.5,1.0,1.5 mm的3个含油率相加并取平均值为 ${\bar{K}}_{1}$ 、 ${\bar{K}}_{2}$ 、 ${\bar{K}}_{3}$ ,计算得到 ${\bar{K}}_{1}$ =9.17%, ${\bar{K}}_{2}$ =10.39%, ${\bar{K}}_{3}$ =8.75%,可以看出a_p增大,样件含油率先增大后减小,原因为加工产生的微小切屑数量随着a_p的增加而降低,受切屑堵塞的流道数减少,含油率上升;当a_p增大至1 mm后,切屑体积变大、表面质量变差甚至发生撕裂现象,已加工表面质量随之降低,从而加重表面微孔流道堵塞现象.确定切削参数的优组合为v_c=75 m/min,f_z=0.4 mm/r,a_p=1 mm.

为更好地满足空间长寿命轴承用多孔含油材料的低缺陷、稳定含油、高精度的迫切制造需求,针对多孔聚酰亚胺精密加工过程中输油表面结构易阻塞的难点,综合考虑各参数下的工件切削性能及各自占比(见表6).其中含油功能和输油功能是轴承保持架最重要的功能,因此含油率的占比最大(40%);其次,表面粗糙度会影响轴承保持架的兜孔间隙,因此表面粗糙度的占比第二(30%);切削力、切屑形态、微观形貌对轴承保持架性能有一定影响,但小于前两个指标,因此各占10%.考虑实际加工环境与实验环境不完全一致、机床误差、刀具磨损等因素,将实验确定的最优加工参数上下波动5%~10%,取整数部分得最优加工参数:v_c=(85±5) mm/min,f_z=(0.28±0.02) mm/r,a_p=(0.8±0.1) mm.

表6 切削参数优选表

Tab.6 Cutting parameter optimization

实验指标	v_c/ (m·min^-1)	f_z/ (mm·r^-1)	a_p/mm	综合占比/%
切削力	100	0.4	0.5	10
表面粗糙度	100	0.1	0.5	30
切屑形态	75	0.1	0.5	10
微观形貌	75	0.4	1.5	10
含油率	75	0.4	1.0	40
最佳铣削参数	85	0.28	0.8	-

DOI:10.1016/j.polymer.2005.05.127 URL [本文引用: 1]

4 结论

(1) 干切削、低温冷风切削及冷风微量润滑切削的切削温度以及已加工表面的粗糙度分别为19.4、9.1、5.6 ℃和2.318、1.342、0.916 μm.相较于干切削与低温冷风切削,CMQL切削的切削温度分别降低了71%和38%,已加工表面粗糙度分别降低了60%和32%,工件表面附着的微小切屑最少,多孔流道损伤小并呈直径大、分布广的特点.可见,CMQL对于实现多孔聚合物材料低损伤加工行之有效.

(2) 切屑形态为带状螺卷切屑,切屑表面平整度和带宽稳定度是影响加工表面质量的关键因素,切屑毛边、撕裂等缺陷是表面粗糙度增大的主要原因.工件已加工表面存在的材料拉丝、表面微裂纹、材料堆叠及微小切屑附着等缺陷,对多孔流道产生二次堵塞,降低材料含油率及输油率.

(3) 表面粗糙度受f_z影响显著,而对v_c不敏感,其中切削层塑性变形增大是导致粗糙度随v_c增大呈先减小后增大变化的根本原因,提高a_p至临界值(1 mm)以上有助于降低表面粗糙度.a_p对切削力影响最大,提高v_c可以在切削力增长较小的情况下提高加工效率.

(4) 将高含油率作为最佳铣削参数的首要选择指标,综合考虑不同指标对应的铣削参数优组合,得到多孔聚酰亚胺含油材料在冷风微量润滑条件下的最优加工参数为v_c=(85±5) mm/min,f_z=(0.28±0.02) mm/r,a_p=(0.8±0.1) mm.

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As a green and efficient processing method, minimum quantity lubrication (MQL) has the advantages of small amount of cutting fluid using, low cutting force, preventing adhesion, prolonging tool life and improving the surface quality of workpiece. However, there are some problems such as inadequate lubrication and low cooling performance under the specific conditions. Therefore, experts have proposed several kinds of minimum quantity lubrication synergistic technology. The latest research progress in the principle is summarized, implementation scheme and process application of minimum quantity lubrication synergistic technology. The purpose is to extend the application scope of minimum quantity lubrication technology and provide theoretical support and scientific guidance for further research on minimum quantity lubrication synergistic technology.

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微量润滑技术作为一种典型的绿色冷却润滑方式,近年来逐渐受到科学界和产业界的重视。而目前在微量润滑技术工程化应用中,由于机理研究的缺乏,在加工工艺参数的选择上始终存在盲目性,也难以实现微量润滑系统参数与加工工艺参数的最佳匹配,以达到最优的切削效果。作为微量润滑技术工程化应用中的关键因素之一,润滑剂特性决定于工艺参数及润滑剂的理化性质,并直接影响到微量润滑技术的冷却润滑效果。综述微量润滑技术雾粒特性、渗透特性及润滑剂选择方面的最新研究进展,旨在建立其与切削性能之间的量化关系。这些研究可为进一步揭示微量润滑技术增效机理提供理论依据；为微量润滑系统参数和工艺参数的优化,选择和研制微量润滑专用润滑剂,建立微量润滑绿色切削整体解决方案提供科学指导。

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As a typical sustainable cooling/lubricating method, minimum quantity lubrication (MQL) has been paid much attention to recently. However, due to the insufficiency of mechanism research, there exists blindness in the processing parameter optimization procedures. Also, it is difficult to identify the optimal match between MQL system parameters and cutting parameters to achieve the best cutting performance. As one of key factors in the engineering application of MQL technology, the lubricant characteristics, which are determined by processing parameters and physical/chemical properties of lubricant, have directly influence on the MQL cooling/lubricating performance. In order to build a quantitative relationship between the lubricant characteristics and the cutting performance, recent progress on the lubricant mist characteristics, penetration abilities and the physical/chemical properties has been reviewed. Results obtained can provide theoretical foundations for further reveal of the MQL cutting mechanism and scientific instructions for engineer application of this technology especially for the optimization of MQL system parameters and processing parameters, selecting or developing specialized MQL lubricants and the establishment of the total solution in MQL green cutting.

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