基于石墨烯強(qiáng)化MQL的GH4169合金銑削表面質(zhì)量研究

李 明， 于天彪， 張榮闖， 王宛山

(1.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動化學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819； 2.東北大學(xué) 遼寧省大型裝備智能設(shè)計(jì)與制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 沈陽 110819； 3.東北大學(xué)秦皇島分校 控制工程學(xué)院， 河北 秦皇島 066004)

GH4169鎳基高溫合金具有良好的抗疲勞、抗蠕變、抗氧化以及耐腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶制造、核能以及石油化工等領(lǐng)域[1].然而，此高溫合金具有高強(qiáng)度、高硬度以及差的導(dǎo)熱能力，是一種非常典型的難切削材料.在銑削加工過程中，很容易引起較大的切削力和較高的切削溫度，惡化銑削加工表面質(zhì)量，增加表面粗糙度.

微量潤滑(MQL)作為一種綠色高效的冷卻潤滑技術(shù)，廣泛用于改善難加工材料的加工性能.該技術(shù)不僅可以減少切削液的使用量，還可以提高切削液穿透切削區(qū)的能力[2].同時，植物油基切削液具有良好的生物降解性、低環(huán)境影響和無毒性，因此，具有非常廣泛的應(yīng)用前景[3].

許多學(xué)者對植物油基切削液在加工領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了深入的研究.Wang等[4]和Li等[5]將7種植物油基切削液(玉米油、花生油、菜籽油、大豆油、蓖麻油、棕櫚油、葵花油)應(yīng)用到GH4169鎳基高溫合金MQL磨削加工中，并與石蠟油和澆注式冷卻潤滑條件進(jìn)行對比，結(jié)果發(fā)現(xiàn)植物油基切削液在改善切削區(qū)潤滑狀態(tài)方面展現(xiàn)出優(yōu)異的性能.Agrawal等[6]將蘆薈油基切削液應(yīng)用到M2鋼的MQL車削加工中，與傳統(tǒng)切削液相比，表面粗糙度降低了6.7%.

此外，基于納米粒子強(qiáng)化傳熱原理，許多學(xué)者為了進(jìn)一步提高切削液的冷卻和潤滑性能，將納米粒子添加到切削液中.Najiha等[7]將TiO2納米流體應(yīng)用到鋁合金的MQL銑削加工中.經(jīng)研究，體積分?jǐn)?shù)2.5%的TiO2納米流體展現(xiàn)出最優(yōu)異的銑削特性.Wang等[8]將Al2O3納米粒子分散到棕櫚油基切削液中制備成不同濃度的納米流體，應(yīng)用到GH4169鎳基高溫合金的MQL磨削加工中.經(jīng)對比，Al2O3納米粒子可以顯著改善磨削區(qū)的摩擦狀態(tài)，同時，體積分?jǐn)?shù)2.0%的Al2O3納米流體的性能最佳.還有一些學(xué)者[9-10]將MoS2和CNT等納米粒子應(yīng)用到難加工材料的加工過程中.

石墨烯作為一種穩(wěn)定存在的二維材料，具有非常優(yōu)異的冷卻和潤滑性能，具有很廣泛的應(yīng)用前景[11-12].但是，有關(guān)石墨烯在切削液中應(yīng)用的研究還很少.因此，基于石墨烯強(qiáng)化MQL的GH4169合金銑削表面質(zhì)量的研究是十分必要的.

本研究以MQL參數(shù)(石墨烯納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)w、切削液流量Q、壓縮氣體壓強(qiáng)p)為控制因素，采用三因素四水平L16(43)正交試驗(yàn)方案來評估MQL參數(shù)對銑削加工表面質(zhì)量的影響.同時，采用極差分析和方差分析方法，研究石墨烯納米粒子濃度、切削液流量和氣體壓強(qiáng)對表面粗糙度的影響規(guī)律，并經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化獲得最優(yōu)參數(shù)組合.最后，基于驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，對獲得的最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本研究選用少層石墨烯納米粒子去強(qiáng)化植物油基切削液的冷卻和潤滑性能，從而改善銑削加工的表面質(zhì)量.石墨烯是一種穩(wěn)定存在的二維材料，具有非常優(yōu)異的冷卻和潤滑性能，其性能參數(shù)如表1所示，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.本研究選用植物油基切削液Accu-Lube LB2000為基礎(chǔ)切削液.本研究采用兩步法，利用超聲分散方式將石墨烯納米粒子分散到基礎(chǔ)切削液中.

圖1 少層石墨烯的結(jié)構(gòu)及SEM微觀表征

表1 石墨烯性能參數(shù)

本研究實(shí)驗(yàn)工件的材料是GH4169高溫鎳基合金，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))主要包含：Ni(52.30%)，Cr(18.90%)，Nb(5.30%)，Mo(3.08%)，Ti(1.06%)，Al(0.52%)，以及C，Mn，Si，Co，B，Cu，F(xiàn)e等微量的元素.GH4169合金具有良好的抗疲勞、抗蠕變、抗氧化以及耐腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于航空航天、船舶制造、核能以及石油化工等領(lǐng)域，其性能參數(shù)如表2所示.

表2 GH4169合金的性能參數(shù)

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本研究的一系列實(shí)驗(yàn)是在沈陽機(jī)床集團(tuán)生產(chǎn)的TH5650立式數(shù)控加工中心上進(jìn)行的.如圖2a所示，此機(jī)床的加工范圍為X850 mm×Y500 mm×Z630 mm；最大的主軸輸出功率為35 kW；最高主軸轉(zhuǎn)速為6 000 r/min；數(shù)控系統(tǒng)為FANUC 0i-MB.本研究利用瑞士奇石樂儀器公司生產(chǎn)的Kistler 9257B測力儀測量銑削過程的銑削力，系統(tǒng)采樣頻率設(shè)置為7 kHz.此外，利用熱電偶測溫系統(tǒng)測量銑削加工表面的銑削溫度，系統(tǒng)采樣頻率設(shè)置為20 kHz.本研究運(yùn)用Accu-Lube MQL系統(tǒng)去改善銑削加工表面質(zhì)量.如圖2b所示，此系統(tǒng)主要是由空壓機(jī)、油箱、脈沖泵、脈沖發(fā)生器以及直流電源等組成.本研究利用日本奧林巴斯株式會社生產(chǎn)的LEXT OLS4100激光共聚焦顯微鏡來測量銑削加工表面的粗糙度，主要選用輪廓算術(shù)平均偏差Ra來表征表面粗糙度，如圖2c所示.本研究采用的銑削刀具為株洲鉆石集團(tuán)生產(chǎn)的硬質(zhì)合金刀片，如圖2d所示.刀片型號為APKT11T304，涂層為TiAlN，基體材料為超細(xì)硬質(zhì)合金.刀桿為兩刃型，直徑為16 mm，其型號為EMP01-016-XP16-AP11-02.

1.3 正交試驗(yàn)方案

本研究選擇MQL參數(shù)(石墨烯納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)w、切削液流量Q、壓縮氣體壓強(qiáng)p)為控制因素，每個因素有4個水平，正交試驗(yàn)的控制因素和水平如表3所示.在試驗(yàn)中，銑削加工參數(shù)保持固定值不變，主要的銑削加工參數(shù)如表4所示.本研究采用三因素四水平L16(43)正交試驗(yàn)方案來評估石墨烯納米粒子對表面質(zhì)量的影響，具體試驗(yàn)方案如表5所示.為了減少誤差影響，每次試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行5次.

圖2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

表3 正交試驗(yàn)的控制因素和水平

表4 主要的銑削加工參數(shù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

正交試驗(yàn)結(jié)果如表5和圖3所示.通過極差分析和方差分析獲得了各參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律，如表6和表7所示.在表7中，DF為自由度，Seq.SS為偏差平方和，Adj.MS為均方差，F(xiàn)值和P值結(jié)合F分布表和P分布表進(jìn)行使用.同時，通過參數(shù)優(yōu)化獲得了最優(yōu)的參數(shù)組合，如圖4所示.此外，進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，證明了所獲得的最優(yōu)參數(shù)組合是合理可信的，如圖5所示.

表5 試驗(yàn)方案與結(jié)果

圖3 試驗(yàn)結(jié)果

表6 極差分析表

表7 方差分析表

圖4 MQL參數(shù)的影響圖

圖5 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的結(jié)果

2.1 MQL參數(shù)對表面粗糙度的影響

通過正交試驗(yàn)獲得了MQL參數(shù)(石墨烯納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)w、切削液流量Q、壓縮氣體壓強(qiáng)p)對表面粗糙度的影響規(guī)律，如圖4所示，并對其相應(yīng)影響機(jī)理進(jìn)行了分析討論.

2.1.1 石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)對表面粗糙度的影響

如圖4所示，當(dāng)石墨烯納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.05%增加到0.2%時，表面粗糙度先變小后變大.當(dāng)石墨烯納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時，表面粗糙度的值最小，這主要是因?yàn)檫m量的石墨烯納米粒子可以很好地強(qiáng)化植物油基切削液在切削區(qū)形成的潤滑油膜的冷卻潤滑性能，改善切削區(qū)的冷卻潤滑狀態(tài)，降低工件表面粗糙度.當(dāng)石墨烯納米粒子濃度太小時，石墨烯納米粒子的強(qiáng)化效應(yīng)不明顯，對切削液的冷卻潤滑狀態(tài)影響較小，不足以改善工件的表面質(zhì)量.而當(dāng)石墨烯納米粒子濃度太大時，過多的石墨烯納米粒子可以輕易地堵塞切削區(qū)，阻礙切削區(qū)潤滑油膜的形成，使切削區(qū)潤滑不足，減弱了石墨烯納米粒子的強(qiáng)化效應(yīng).

從F分布表可得，F(xiàn)0.01(3，6)=9.779 5，F(xiàn)0.05(3，6)=4.76.由方差分析可得，F(xiàn)(w)>F0.01(3，6).這說明石墨烯納米粒子濃度對銑削加工表面粗糙度有非常顯著的影響.此外，從表7還可得到，石墨烯納米粒子濃度對銑削加工表面粗糙度的影響貢獻(xiàn)率為47.98%.

2.1.2 切削液流量Q對表面粗糙度的影響

如圖4所示，當(dāng)切削液流量從30 mL/h增加到120 mL/h時，表面粗糙度同樣是先減小后增大.當(dāng)切削液流量為60 mL/h時，表面粗糙度達(dá)到最小值，這主要是由于適量的切削液可以很好地在切削區(qū)形成潤滑油膜，改善切削區(qū)的冷卻潤滑狀態(tài)，降低工件表面粗糙度.當(dāng)切削液流量太小時，進(jìn)入切削區(qū)的切削液過少，很難形成完整的潤滑油膜，引起切削區(qū)冷卻潤滑不充足，惡化了工件表面質(zhì)量，使表面粗糙度增加.當(dāng)切削液流量過大時，過多的切削液會大大降低切削液的射流速度，降低切削液射流穿透刀具周圍氣障層的能力，造成切削區(qū)冷卻潤滑不足，惡化工件表面質(zhì)量，使工件表面粗糙度增加.

通過方差分析可以得到，F(xiàn)(Q)>F0.01(3，6).這說明切削液流量對銑削加工表面粗糙度也有非常顯著的影響.此外，從表7可以得到，切削液流量對銑削加工表面粗糙度的影響貢獻(xiàn)率為22.21%.

2.1.3 氣體壓強(qiáng)p對表面粗糙度的影響

如圖4所示，當(dāng)氣體壓強(qiáng)從0.4 MPa增加到0.7 MPa時，表面粗糙度先是減小后增大.當(dāng)氣體壓強(qiáng)為0.6 MPa時，表面粗糙度達(dá)到最小值.當(dāng)氣體壓強(qiáng)較小時，切削液射流穿透銑刀周圍氣障層的能力較差，造成進(jìn)入切削區(qū)的切削液過少，很難形成完整的潤滑油膜，引起切削區(qū)冷卻潤滑不充足，惡化工件表面質(zhì)量，使表面粗糙度增加.當(dāng)氣體壓強(qiáng)過大時，切削液射流由于壓強(qiáng)過大而飛濺增加，同樣阻礙切削區(qū)潤滑油膜的形成，導(dǎo)致切削區(qū)冷卻潤滑不充足，惡化工件表面質(zhì)量，使表面粗糙度增加.

由方差分析可知，F(xiàn)(p)>F0.01(3，6).這說明氣體壓強(qiáng)對銑削加工表面粗糙度同樣具有非常顯著的影響.此外，從表7可以得到，氣體壓強(qiáng)對銑削加工表面粗糙度的影響貢獻(xiàn)率為26.95%.

綜上分析，石墨烯納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w)、切削液流量(Q)以及氣體壓強(qiáng)(p)對工件表面粗糙度都具有非常顯著的影響.其中，石墨烯納米粒子濃度的影響是最顯著的，其次是氣體壓強(qiáng)，最后是切削液流量.

2.2 參數(shù)優(yōu)化

經(jīng)過極差分析和方差分析，從圖4中可以得到，在石墨烯納米粒子濃度的4個水平中，當(dāng)石墨烯納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%時，取得最小的表面粗糙度；在切削液流量的4個水平中，當(dāng)切削液流量為60 mL/h時，取得最小的表面粗糙度；在氣體壓強(qiáng)的4個水平中，當(dāng)氣體壓強(qiáng)為0.6 MPa時，取得最小的表面粗糙度.所以，對于獲得最小工件表面粗糙度的最優(yōu)參數(shù)組合為W2Q2P3.

從表5正交試驗(yàn)方案中可以得出，獲得的最優(yōu)參數(shù)組合W2Q2P3不在正交試驗(yàn)方案中.因此，需要進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證所獲得的最優(yōu)參數(shù)組合是合理可信的.

2.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

通過參數(shù)優(yōu)化獲得的最優(yōu)參數(shù)組合為W2Q2P3.為了驗(yàn)證此最優(yōu)參數(shù)組合是合理可信的，本研究進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn).如圖5所示，在最優(yōu)參數(shù)組合W2Q2P3下，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)獲得的表面粗糙度為0.406 μm.這與正交試驗(yàn)方案中最優(yōu)的第7組參數(shù)組合W2Q3P4獲得的表面粗糙度0.457 μm相對比降低了11.16%.因此，經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化，GH4169合金的銑削加工表面粗糙度得到了顯著的降低.

3 結(jié) 論

1) 石墨烯納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)w、切削液流量Q以及氣體壓強(qiáng)p都對銑削加工表面粗糙度具有非常顯著的影響.其中，石墨烯納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)w的影響是最顯著的，其次是氣體壓強(qiáng)p，最后是切削液流量Q.

2) 石墨烯強(qiáng)化MQL條件下，GH4169合金銑削加工最優(yōu)的MQL參數(shù)組合為：石墨烯納米粒子質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%，切削液流量60 mL/h，氣體壓強(qiáng)0.6 MPa.最優(yōu)的銑削加工表面粗糙度為0.406 μm.

3) 石墨烯強(qiáng)化MQL條件下，優(yōu)化的MQL參數(shù)可以顯著地強(qiáng)化植物油基切削液在切削區(qū)形成的潤滑油膜的冷卻和潤滑性能，以改善切削區(qū)的冷卻潤滑狀態(tài)，從而改善銑削加工表面質(zhì)量，降低表面粗糙度.