航天鋁合金框環(huán)微量潤滑車削試驗(yàn)研究

何萬林,劉爭(zhēng),吳雪松,趙立國,夏松

首都航天機(jī)械有限公司

1 引言

隨著航天產(chǎn)品精細(xì)化程度及自動(dòng)化技術(shù)對(duì)生產(chǎn)節(jié)拍要求日益提高,對(duì)單個(gè)產(chǎn)品加工精度、加工效率及加工連續(xù)性也提出了更高的要求,而在車削加工中,切削區(qū)域溫度很大程度上影響著表面質(zhì)量、切削效率以及刀具磨損[1]。航天企業(yè)中傳統(tǒng)立式車削機(jī)床多采用干式切削技術(shù),其切削區(qū)域溫度高,容易產(chǎn)生積屑瘤,降低刀具壽命,影響進(jìn)給速度及切削用量,制約產(chǎn)品加工質(zhì)量和效率[2]。澆注冷卻方式在產(chǎn)品高速旋轉(zhuǎn)過程中容易導(dǎo)致切削液飛濺,且切削液用量大,成本高且污染環(huán)境[3,4]。微量潤滑方式既能實(shí)現(xiàn)加工過程的有效潤滑,控制切削區(qū)域溫度,同時(shí)也能降低90%以上的切削液用量[5]。

微量潤滑切削技術(shù)也稱為最小量潤滑,是一種典型的準(zhǔn)干式切削方法,是指將壓縮氣體與極微量的潤滑劑混合汽化,形成微米級(jí)的液滴,并噴射到加工區(qū)域進(jìn)行有效潤滑的一種切削加工方法[6,7]。微量潤滑霧粒具有極強(qiáng)的滲透和吸附能力,可在切削界面產(chǎn)生有效油膜,降低接觸面摩擦因數(shù)及切削溫度,進(jìn)而延緩刀具磨損,提高加工產(chǎn)品表面質(zhì)量[8,9],在鋁合金、鈦合金、軸承鋼等金屬零件加工中應(yīng)用廣泛[10,11]。

本文基于中型立式車床,設(shè)計(jì)內(nèi)冷式微量潤滑車削刀柄,搭建微量潤滑系統(tǒng);以大型鋁合金為研究對(duì)象,分析了微量潤滑條件下產(chǎn)品表面粗糙度、刀具磨損情況以及加工過程中機(jī)床負(fù)載隨切削時(shí)長的變化,為微量潤滑在大型鋁合金零件車削加工中的應(yīng)用提供示范。

2 微量潤滑系統(tǒng)

如圖1所示,基于2.5m立式車床搭建微量潤滑車削加工系統(tǒng),將微量潤滑發(fā)生裝置安裝在機(jī)床頂部,并將油氣管路由滑枕穿入,經(jīng)接搭器進(jìn)入車刀座,通過刀尖側(cè)壁的通道使微量潤滑霧粒有效噴射到刀尖,實(shí)現(xiàn)車削加工內(nèi)冷微量潤滑。同時(shí),將微量潤滑發(fā)生裝置控制系統(tǒng)與華中數(shù)控系統(tǒng)集成,通過IO點(diǎn)控制方式,基于M8/M9指令實(shí)現(xiàn)微量潤滑的開關(guān)控制。

圖1 微量潤滑車削加工系統(tǒng)

微量潤滑發(fā)生裝置(見圖2)能夠?qū)崿F(xiàn)油水氣復(fù)合并形成油霧、水霧或油水氣霧,可數(shù)字化調(diào)控氣體壓力、微量潤滑油用量和冷卻水用量,微量潤滑裝置與數(shù)控機(jī)床聯(lián)動(dòng)控制,加工時(shí)微量潤滑參數(shù)和切削參數(shù)自動(dòng)匹配。

圖2 微量潤滑發(fā)生裝置

3 切削試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

運(yùn)載火箭典型框環(huán)類零件(見圖3)是用于運(yùn)載火箭各級(jí)之間連接的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件,采用整體鋁合金鍛件整體車削加工,材料去除量達(dá)到90%以上。以鋁合金框環(huán)(直徑1.9m)為對(duì)象進(jìn)行微量潤滑切削加工試驗(yàn)。

圖3 典型框環(huán)類零件

采用森泰英格PSC6-PDJNR-45065-15.HT刀柄,內(nèi)含微量潤滑通道;采用成都工具研究所DNGG150608AH-DLC(DLC涂層)刀片和DNGG150608AH(無涂層)刀片(見圖4)。使用Mahr Perthometer M1表面粗糙度儀測(cè)量加工后產(chǎn)品的表面粗糙度,分辨率為0.001μm,測(cè)量方法為周向和軸向各測(cè)量三次并求取平均值;使用顯微鏡觀察加工后刀片磨損及表面積屑瘤;使用空氣/智能TSP綜合采樣器檢測(cè)切屑區(qū)域懸浮顆粒濃度,精度為0.001mg/m3。

圖4 車刀座及刀片

3.2 試驗(yàn)方案

采用DLC涂層刀具、無涂層刀具分別在干切削和微量潤滑條件下,開展不同切削速度(260m/min,310m/min,360m/min)和不同進(jìn)給速度(0.1mm/r,0.2mm/r,0.3mm/r,0.4mm/r)的車削試驗(yàn),切削深度為0.7mm,每種參數(shù)下切削寬度為10mm,研究切削初始階段微量潤滑對(duì)表面粗糙度及刀具磨損的影響。在干切削、微量潤滑條件下,對(duì)DLC涂層進(jìn)行長時(shí)間切削試驗(yàn)(切削速度V=370m/min,進(jìn)給速度f=0.3mm/r,切削深度ap=3mm),記錄切削過程中機(jī)床負(fù)載、刀具磨損、表面粗糙度以及切削區(qū)域顆粒物濃度,進(jìn)一步研究在不同切削條件下刀具長時(shí)間車削后的磨損情況及切削力變化情況,以及對(duì)車削區(qū)域環(huán)境的影響。圖5為框環(huán)類零件切削試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)。

圖5 框環(huán)類零件切削試驗(yàn)

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 微量潤滑對(duì)表面粗糙度的影響

采用DLC涂層刀具車削加工后的表面如圖6所示,表面粗糙度隨進(jìn)給速度變化如圖7所示,刀具磨損情況如圖8所示。可以看出,微量潤滑條件下的粗糙度值低于干切削,且隨著進(jìn)給量增大,兩種模式下的粗糙度差值明顯增大。

(a)干切削 (b)微量潤滑

(a)切削速度260m/min

(a)干切削 (b)微量潤滑

干切削條件會(huì)產(chǎn)生較高的切削溫度,在高溫及高接觸壓力作用下,刀具局部出現(xiàn)積屑瘤(見圖8a),影響產(chǎn)品表面質(zhì)量,導(dǎo)致表面粗糙度增大;微量潤滑條件下,油霧在刀具與零件之間形成油膜,有效降低了接觸位置的溫度和摩擦力,刀具表面只存在部分涂層磨損及少量氧化磨損,無明顯積屑瘤產(chǎn)生,所形成的表面質(zhì)量優(yōu)于干切削模式,表面粗糙度較低。此外,由于DLC涂層具有較強(qiáng)的耐磨性,兩種切削條件下刀具都處于初期磨損階段,仍保持鋒利狀態(tài)。

采用無涂層刀具車削加工后的表面如圖9所示,表面粗糙度隨著進(jìn)給速度的變化如圖10所示?？梢钥闯?與DLC涂層刀具不同,在260m/min與310m/min切削速度下,微量潤滑條件下的粗糙度值略高于干切削,且高進(jìn)給速度下更為明顯。

(a)干切削 (b)微量潤滑

(a)切削速度260m/min

兩種切削條件下刀具的磨損情況如圖11所示,主切削刃均無明顯磨損,而刀尖圓角呈現(xiàn)微小磨損,并且干切削下的刀具圓角較微量潤滑下的刀尖圓角磨損量更大,形成了更大的刀尖圓角半徑,在切削刃上出現(xiàn)類似修光刃的刀刃形狀(見圖12)。

(a)干切削

(a)新刀片

由于無涂層刀具硬度較低,摩擦因數(shù)較高,切削初始便出現(xiàn)較快的磨損。而進(jìn)入正常磨損階段后,微量潤滑降低了刀具磨損速度,此時(shí)仍處于初期磨損階段。

在正常磨損階段,更大的刀具圓角形成更良好的切削表面,同時(shí),同樣參數(shù)下具有修光刃的刀具表面粗糙度能提高一倍,如圖13所示。所以干切削下形成的類似修光刃的刀刃可以有效提高加工表面質(zhì)量,且在高進(jìn)給速度下表現(xiàn)出明顯效果。

(a)修光刃 (b)加工后粗糙度

在切削速度360m/min時(shí),微量潤滑粗糙度在低進(jìn)給速度下略好于干切削,而高進(jìn)給速度下與干切削相近。這是因?yàn)殡S著試驗(yàn)進(jìn)行,此時(shí)刀具已經(jīng)切削一定時(shí)間,微量潤滑下的刀具也進(jìn)入正常磨損階段。

4.2 微量潤滑對(duì)刀具壽命及切削負(fù)載的影響

基于DLC涂層刀具進(jìn)行連續(xù)切削,切削參數(shù)為V=370m/min、f=0.3mm/r及ap=3mm,記錄隨著切削時(shí)間增加Z軸負(fù)載的變化情況(Z軸負(fù)載變化為加工過程Z軸負(fù)載與加工前空載Z軸負(fù)載差值),同時(shí)通過顯微鏡觀察刀具磨損。

兩種模式下刀具主切削刃及前刀面的磨損情況如圖14所示,干切削條件下在前刀面形成非常明顯的積屑瘤,且主切削刃也有明顯的磨損及少量黏結(jié),并存在局部涂層脫落;而微量潤滑條件下,其前刀面沒有可見的積屑瘤,主切削刃磨損也更為均勻。涂層脫落的主要原因是前刀面與切屑的劇烈摩擦,而微量潤滑產(chǎn)生的油膜能夠有效將前刀面與切屑分隔開,減少前刀面與切屑之間的摩擦力,減緩了涂層磨損速度。同時(shí)摩擦力的降低也影響切削區(qū)域溫度,減少切削熱的產(chǎn)生,有效抑制了切屑與刀片黏結(jié)產(chǎn)生的積屑瘤及刀具表面的氧化磨損。以上原因使微量潤滑能夠有效降低切削磨損,提高刀具的壽命。

(a)干切削

由圖15可知,相同切削時(shí)間內(nèi),微量潤滑條件下的Z軸負(fù)載變化量小于干切削,Z軸負(fù)載主要反映切削過程中軸向力的變化情況(進(jìn)給方向切削力)。

V=370m/min,f=0.3mm/r,ap=3mm

通過Z軸負(fù)載變化可知,與干切削相比,在切削初始階段,微量潤滑條件下的負(fù)載降低并不明顯,這是由于初始階段刀具表面都沒有明顯的磨損,而微量潤滑條件下刀具與切屑、加工表面間的油膜會(huì)降低接觸面摩擦力,使軸向力在一定程度上減小;隨著切削時(shí)間增加,干切削條件下刀具前刀面及切削刃更早產(chǎn)生積屑瘤及氧化磨損,導(dǎo)致接觸面摩擦力及切削力快速增大,使軸向力較微量潤滑條件下有明顯增加。

切削結(jié)束后對(duì)表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量,微量潤滑條件下表面粗糙度為2.323μm,干切削條件下產(chǎn)品粗糙度達(dá)到了7.685μm,加工后的表面如圖16所示,干切削條件下刀具磨損導(dǎo)致的表面粗糙度增大十分明顯。

圖16 加工表面質(zhì)量對(duì)比

4.3 切削區(qū)域顆粒物濃度分析

利用空氣/智能TSP綜合采樣器采集切削區(qū)域樣品,通過電子天平稱重方式檢測(cè)干切削涂油冷卻與微量潤滑條件下切削區(qū)域顆粒物濃度。無微量潤滑時(shí),在切削區(qū)域產(chǎn)生大量煙塵,其周邊檢測(cè)可懸浮顆粒物濃度可達(dá)1mg/m3以上;采取微量潤滑方式后,切削區(qū)域無明顯煙塵產(chǎn)生,機(jī)床周邊可懸浮顆粒物濃度降低到0.2mg/m3。

5 結(jié)語

針對(duì)航天鋁合金框環(huán)開展了微量潤滑切削加工試驗(yàn),探討了微量潤滑應(yīng)用的效果,結(jié)論如下。

(1)微量潤滑條件下,采用DLC涂層刀具加工后的產(chǎn)品表面粗糙度優(yōu)于干切削條件,且連續(xù)切削過程中機(jī)床負(fù)載略低于干切削,刀具抗磨損能力優(yōu)于干切削。

(2)采用無涂層刀具加工,在加工初始階段,由于干切削條件下刀具更快進(jìn)入正常磨損階段,圓角處形成類似修光刃效果,導(dǎo)致干切削粗糙度略低于微量潤滑;而隨著切削時(shí)間增加,微量潤滑下刀具進(jìn)入正常磨損階段,微量潤滑條件下的粗糙度漸漸低于干切削。

(3)采用微量潤滑能夠有效降低切削區(qū)域煙霧濃度,與干切削相比,在相同切削參數(shù)下,懸浮顆粒濃度能夠從超過1mg/m3降低到0.2mg/m3,后續(xù)可通過在切削區(qū)域增加煙霧回收裝置進(jìn)一步降低微量潤滑對(duì)切削區(qū)域環(huán)境的影響。

綜上所述,在刀具正常切削階段,相比干切削加工,微量潤滑的加工方式能夠有效提高產(chǎn)品表面質(zhì)量,降低粗糙度,減緩刀具表面磨損,延長刀具使用壽命,并有效降低切削區(qū)域煙霧濃度,實(shí)現(xiàn)綠色清潔切削加工。