超洁净PTFE车削加工切削参数对表面形貌及粗糙度变化影响

颖惠民， 付婧媛,2， 刘 范,2， 苏 芮， 阮晓东

(1.浙江大学 流体动力与机电系统国家重点实验室， 浙江 杭州 310027；2.浙江启尔机电技术有限公司， 浙江 杭州 311305)

引言

面向IC制造装备的超洁净流体输控中涉及到许多诸如波纹管泵、磁悬浮泵、隔膜阀、流量传感器等超洁净流控零部件，这些超洁净流控零部件对于其过流表面粗糙度有着非常严格的要求，表面形貌的优劣不但对零件的摩擦磨损、疲劳强度、配合性质和传动精度影响很大，甚至关乎机械的使用性能和寿命。在超纯水及液体化工领域的部件规范中[1]，对于产品质量和表面污染析出都有相应的指标，特别是针对表面粗糙度，对于不同外径，不同加工方式获得的制品都有其数据范围。研究表面形貌形成机理、表面粗糙度与工艺参数的关系，正确认识表面形貌在加工过程中的变化趋势和缺陷，对于改进加工方法，优化工艺参数，提高表面质量和产品性能具有重要意义。

聚四氟乙烯拥有优异的物理化学特性，包括其广泛的使用温度范围、突出的不粘性、优异的耐腐蚀性和电绝缘性能[2]。因此在超洁净生产过程中，PTFE成为了超洁净流控元件的首选材料。然而，它的组成和结构也存在一些缺点：机械性能较差，机械强度低，没有回弹性，硬度较低，但断裂延伸率较大；线膨胀系数较大，从烧结到二次加工都会影响最终产品的性能[3]，与其它材料复合易发生变形、开裂等现象；成型和二次加工困难以及较差的耐磨性和导热性[4]。因此，其加工后表面粗糙度在超洁净流体零部件的实际应用中产生非常重要的影响，主要有以下几个方面：

(1) 其表面粗糙度越高，也即意味着其表面形貌起伏越大，与流体接触的面积越大，这会导致包括金属离子在内的污染物会影响所输送流体的洁净度[1]，同时伴随的还有腐蚀问题[5]；

(2) 表面粗糙度过高会引发元器件表面的摩擦磨损，且表面形貌会影响到接触式机械密封的端面接触特性[6-7]，严重时甚至会导致元器件的失效，如高压干气密封中的弹簧蓄能辅助密封圈的包覆套材料为PTFE，轴(轴套)表面粗糙度影响PTFE的摩擦磨损性能，而PTFE与轴(轴套)之间的摩擦磨损状况对其密封能力的可靠性有重要的影响，进而会影响干气密封整体的密封性能[8]；

(3) 表面形貌复杂会为污染物提供隐匿的居所，藏匿的污染物在使用过程中释放会对整个超洁净水循环系统造成严重的影响[1]；

(4) 表面粗糙度过高导致磨损颗粒脱落量到达一定数量级时，颗粒物悬浮在流体输送管路中同样会引发流体输控中的污染问题[9]。因此，关注PTFE二次加工后的表面形貌对于超洁净生产有着非常重要的意义。

国内涉及PTFE的车削加工工艺已有若干研究：王春震等[10]针对PTFE薄壁密封件的切削加工在刀具材料、刀具的几何角度以及切削时的用量和冷却条件进行了研究，设计出合理的进退刀路线和加工方案；王胜等[11]针对PTFE设计出了一种同时适用于加工内圆和外圆的车刀结构，设计出的车刀结构能够满足提高生产加工效率的需求；除此之外，王胜[12]还设计了一种特定形状的高速钢车刀，并用该种特制高速钢车刀进行切削实验，研究不同进给速度、切削深度对PTFE车削结果的影响；朱春江等[13]研究了不同刀具不同走刀速度和吃刀量等条件下几种车床所能达到的表面粗糙度极限值；杨大勇[14]针对聚合物复合材料正交切削的表面粗糙度预测建立了相关模型。国外针对该方面也有一些研究，日本的奥田孝一等[15]发现PTFE的表面粗糙度和表面形貌对金属薄膜的附着力和附着强度有很大影响，加工表面形貌的角度明确基本的超精密切削特性，并从润湿性的角度探讨加工表面形貌与表面功能的关系。笠年，奥田孝一等[16]又就经超精密金刚石切割加工后的PTFE的表面完整性和金属薄膜的黏附强度之间的关系进行了研究。CATALIN Feteca等[17]针对聚晶金刚石刀具车削PTFE复合材料的研究，分析了切削参数和刀片半径对切削力和表面粗糙度的影响，发现切削力受进给速度、切削深度、进给速度和切削深度的相互作用的显著影响。综上所述，目前国内外针对PTFE机械加工的研究皆缺乏一定的体系，缺少全面系统的研究。

尽管PTFE在超洁净流控领域起着关键性的作用，但对其生产过程中车削加工的规律并没有非常系统的研究，而表面形貌形成机理研究也甚少提及。本研究主要从机械加工的角度出发，探究了PTFE表面形貌受加工参数的影响机理。因此，本研究通过高分子材料学的表面检测手段，使用了不同材质的车刀对PTFE进行加工，并对切削后的表面形貌以及粗糙度进行观测，选择进给量作为研究PTFE车削加工的主要因素，并对不同刀具材料和冷却效果下PTFE的切削后表面形貌进行分析总结，探究PTFE车削加工后表面形貌及粗糙度的形成机理。

1 实验设计

1.1 切削实验条件的选取

对于PTFE这种硬度较低的材料，在精加工时，因进给量和背吃刀量取值较小，在切削时所产生的切削力较小，对刀具的损害影响基本上可以忽略不计[8]，故车刀磨损对工件的影响程度不在本研究的研究范围。

实验中会涉及到的被加工对象材料、实验设备和实验条件，包括针对被加工对象的尺寸挑选、车刀材料的选择和是否使用冷却液等因素。

1.2 被加工对象材料的选择

考虑到检测仪器对于检测对象尺寸的限制，以及切断加工方式对样品的要求，我们选择直径15 mm的纯PTFE棒料作为加工对象，实验用PTFE棒材由华尔卡公司生产制造，所使用原材料牌号为M18，即纯PTFE，是以单体经过模压、糊膏挤出得到的聚合物，PTFE棒料成分与物理特性见表1所示。

表1 实验用PTFE物理特性表

2 实验刀具材料的选择

考虑到PTFE自身的材料性质以及散热要求，对于刀具材料也有一定的要求，加工PTFE时使用频率最高的是硬质合金材质的车刀，此外，本研究还考虑到洁净度的要求，另外选用了陶瓷和金刚石这两种材质的车刀。

3 实验所用切削液的选择

在车削加工PTFE过程中，考虑到车刀与棒材之间摩擦产生的热量聚集所带来产品尺寸无法准确控制的问题，有时会采用切削液进行切削表面热量疏散以及切屑转移。本实验所使用的切削液为嘉实多E690半合成水溶性切削液，并与干切实验进行对照。

4 实验所用机床的选择

车削加工PTFE同样对车床的精度和稳定性有一定要求，因为本研究想要探讨的是加工后的表面粗糙度，因此车床的稳定性便极为重要。本研究实验选用的是台湾台荣精机生产的25型桌上车床，此车床的详细参数如表2所示，该车床具有高刚度高精度的特点，可以装夹外圆刀杆为12×12的车刀。

表2 车床参数表

5 实验数据测量设备

5.1 表面粗糙度检测手段

因为所加工的棒材直径为15 mm，且厚度仅为2～3 mm，一般的接触式表面粗糙度测量仪的测量长度超过其直径范围，且测量精度不够，测量结果有一定的误差，因此选择激光共聚焦显微镜作为检测仪器，可以同时获得一定尺度上的微观表面形貌以及高精度的表面粗糙度测量结果。

5.2 表面形貌检测手段

除去激光共聚焦显微镜以外，对于表面形貌观测还有更微小尺度上的观测需求，本研究在此基础上选择了原子力显微镜(AFM)作为观测更微小尺度上的检测仪器，除去可以满足拍摄表面形貌这一需要，AFM拍摄结果还可以显示被拍摄对象的3D形貌，对于观测PTFE的表面形貌提供更直观的检测结果。

5.3 车削温度检测手段

本研究选用了红外温度测量仪作为检测温度使用的仪器，该红外温度测量仪的原理，基于入射辐的热效应会引起探测器中某一电特性的变化，通过车刀刀尖，工件，切屑所释放的辐射量不同来测试温度，该设备可以在车削时录制整个车削过程并实时显示最高切削温度变化。

6 实验方案的设计

考虑到激光共聚焦显微镜以及原子力显微镜对样品尺寸及检测表面的要求，车削方式选定为切断加工，并且在影响加工后表面粗糙度的诸项加工参数中，如切削深度、切削速度、车床主轴转速等因素中，已有研究表明[18]，对表面粗糙度影响最大的因素为进给量，除了加工参数之外，由于车刀材料也是影响PTFE加工后表面的粗糙度的重要因素，因此不同材料的车刀也纳入实验方案之中。除了这两项，为了验证温度对加工后表面形貌和粗糙度的影响，同时设置了加切削液与不加切削液的两组作为对照。实验方案如表3及表4所示。为了更清晰地呈现表面粗糙度在50～100 s这一区域的变化情况，我们额外增加了一组车削实验，包括加工时车刀的停留时间分别为60 s、70 s、80 s、90 s的四组样品，如表5所示，除此之外其它车削条件与表3样品完全相同。

表3 样品组一

表4 样品组二

表5 补充实验实验参数及样品表面粗糙度测量值

样品制备的过程如下：

(1) 将直径为15 mm的PTFE棒材用25型桌上车床进行切断加工，切断刀材质为硬质合金，加工过程中不使用切削液，不使用切削液主要是考虑到切削液可能会带来不确定的污染，将PTFE棒材加工成厚度为2～3 mm的薄片，切断后得到的薄片立刻密封包装处理；

(2) 将直径为15 mm的PTFE棒材用25型桌上车床进行切断加工，切断刀材质为金刚石、陶瓷以及硬质合金，加工过程中不使用切削液，将PTFE棒材加工成厚度为2～3 mm的薄片，切断后得到的薄片立刻密封包装处理；

(3) 将直径为15 mm的PTFE棒材用25型桌上车床进行切断加工，切断刀材质为金刚石、陶瓷以及硬质合金，加工过程中使用切削液进行冷却，将PTFE棒材加工成厚度为2～3 mm的薄片，切断后得到的薄片立刻密封包装处理。

7 结论

7.1 同种材料车刀不同停留时间对PTFE表面形貌影响观测结果及分析

图1为激光共聚焦和AFM拍摄得到结果尺度的对比，很明显，AFM可以得到更为微观的表面结构。

图1 激光共聚焦和AFM拍摄结果的对比

根据车刀在PTFE表面停留时间的不同(0～900 s)，不同样品加工后利用激光共聚焦拍摄的表面形貌如图2所示(拍摄尺寸1500 μm×1500 μm)。该图可以清晰地表征出PTFE表面形貌随车刀停留时间的演化情况：当硬质合金车刀在PTFE停留0～10 s内(图2a、图2b)， PTFE表面凸起形状较多且分布十分密集，隐约显露出车刀在其表面的印迹；随着停留时间的增加(20～150 s，图2c～图2f)，表面密集凸起转变为成片不规则的波浪状形貌，且伴随有有表层材料剥离的情况出现；停留时间为200～300 s时(图2g、图2h)，样品表面依然存有一些不规则形状的表面剥落，但整体形貌趋于平整；在停留时间为500 s的样品表面(图2i)有一些不同大小的圆形剥落，除此之外，刀痕也更加清晰，且每圈刀痕的距离逐渐缩短；停留时间为900 s的样品表面(图2j)除了保留了前者刀痕清晰、表面平整等优异特征，几乎已看不到任何的片状剥落。因此，纵观所拍摄的全部样品，随着加工过程中车刀停留时间的逐渐延长，车削后的PTFE表面由凹凸不平逐渐转为平滑，且刀痕更加清晰，如图2a中几乎布满整个观测表面的不规则凸峰到图2j几乎消失殆尽，而相应的出现了更为清晰的均匀细小刀痕。

图2 同种材料车刀停留时间加工得到的PTFE表面激光共聚焦拍摄结果，拍摄尺寸1500 μm × 1500 μm

图3为同样尺寸(1500 μm×1500 μm)激光共聚焦后处理得到的PTFE表面3D形貌图。当车刀在PTFE停留0～20 s内(图3a～图3c)， PTFE表面布满了有一定锐度的凸峰以及凹谷，隐约显露以棒材中心为圆心等差直径的圆形刀痕， 但由于刀痕被表面的复杂形貌所掩盖，因此并不清晰；随着停留时间的增加(50～150 s，图3d～图3f)，凸峰的锐度逐渐减小，峰顶变得圆滑，其中停留时间为50 s的图像中(图3d)出现了一道粗糙度极低的区域，但因为其宽度较窄，应视为大片PTFE脱落而未有切屑粘结的区间，与图2中PTFE层状剥离情况相吻合；停留时间为200～300 s时(图3g、图3h)，样品拍摄区域边缘存在PTFE剥离或粘结的情况，但大部分形貌趋于一致；停留时间为500～900 s时，车刀停留区域已无明显的PTFE剥离情况。因此，激光共聚焦实际拍摄的2D图像与其3D重构图相互呼应，皆反映出PTFE表面形貌随车刀加工时长增加的时空变化规律。

图3 同种材料车刀停留时间加工得到的PTFE表面激光共聚焦结果3D形貌图，拍摄尺寸1500 μm×1500 μm

为了观测到更微观层面上PTFE车削加工后的表面形貌，使用原子力显微镜(AFM)同样拍摄了相对应的加工后样品表面，即车刀停留时间在0～900 s的加工情况，通过对比更微观的相同拍摄尺寸下(30 μm×30 μm)不同样品的拍摄结果，如图4所示。当车刀停留时间在0～20 s区间内(图4a～图4c)，PTFE表面既有波浪状涌起，又布满不均匀锋利的凸峰；当停留时间在50～150 s区间内(图4d～图4f)，PTFE表面波浪状与峰状形貌依然共存，但凸峰的数量逐渐减少且锐度也有所降低；当停留时间在200～300 s区间内(图4g～图4h)，凸峰与波浪形貌逐渐融为一体；最终在车刀停留时间为900 s(图4i)的表面仅显示有一条光滑的隆起。因此，AFM而用同样拍摄尺寸得到的不同样品的拍摄结果间接揭示了PTFE在车削加工时材料的动态去除过程。

图4 同一尺度下不同加工条件下即车刀停留不同时间样品的形貌图，拍摄尺寸为30 μm×30 μm

除了表面形貌的观测，同时使用了VK分析软件对这些拍摄获得的样品表面取相对较为平滑的相同大小的区域进行表面粗糙度的测量，测量结果如表6所示，并将粗糙度结果与车刀停留时间的对应关系绘图，如图5所示。结果表明，在一定时间内，随着停留时间的延长，获得车削表面的粗糙度迅速下降，到达一定的粗糙度后下降趋势即减缓至近乎停止，最终表面粗糙度稳定在Ra=0.382±0.014 μm。同时，在停留时间50 s到100 s表面粗糙度下降趋势骤降，通过车刀停留时间60～90 s内细分的补充实验可以看出，表面粗糙度在停留时间之前的下降趋势与下降速率完全吻合，呈现出车刀滞留时间与表面粗糙度之间映射关系的一致性。此外，激光共聚焦和AFM呈现的PTFE表面形貌也间接反映出粗糙度随车刀停留时间的变化情况，并与图5所示趋势一致。

图5 切削加工后PTFE表面粗糙度随停留时间变化趋势图

表6 第一组及补充实验样品的表面粗糙度

在加工的同时也对不同停留时间条件下的切削温度进行了测量，并记录了不同停留时间下的最高切削温度，结果如表7所示。切削温度测量结果显示，在主轴转速为1830 r/min，进给量为0.0125 mm/r的车削条件下，当车刀车削没有在PTFE表面停留时，切削温度最高可以达到71.6 ℃；而随着停留时间的延长， 由于PTFE材料散热性差的特性，温度逐步攀升至114.9 ℃，并依然保持上升的趋势。

表7 相同材料车刀不同停留时间下最高切削温度

关于表面粗糙度的变化趋势，本研究提出了如下成型机制：当停留时间≤50 s时，较高的切削温度软化切削区材料使得材料容易被去除，刀具刃口波谷侧包裹粘结材料使得波峰被部分切除，造成表面粗糙度和轮廓最大高度减小；而当停留时间≥50 s后，滑动过程中的转移膜[18-19]不断剥落产生，虽然切削温度进一步增加导致粘结现象进一步增强，刃口上包裹的粘结材料代替刃口进行切削，粘结材料脱离刀具粘回工件，然后又有新的材料沾到刀具上，随着切屑的不断增加，粘结切屑在对磨表面压力下被碾压熨平，使得表面粗糙度不再产生较大的波动，趋于稳定。

8.2 不同材料车刀、切削液使用与否表面形貌观测结果及分析

针对车刀材料和切削液使用情况对于PTFE表面加工质量的影响，我们在不同车刀且均不使用切削液的情况下，每个样品上沿同一圈上选取三个点进行拍摄，拍摄结果选择最具代表性的表面形貌进行比较分析，结果如图6、图7所示。结合两种放大倍数下的切削后PTFE拍摄表面可以看出，不同的刀具材料对其加工后的PTFE的表面形貌有非常显著的影响，硬质合金车刀和金刚石车刀加工后的表面(图6a、图6c、图7a、图6c)车痕清晰且每道车痕之间的距离基本上均匀一致，而陶瓷车刀加工后的表面(图6b、图7b)呈现出不规则波浪状涌起，基本上无法看到车痕，且表面的波浪状涌起皆朝向同一方向。根据不同车刀加工后表面的差异化可以推测，出现这种现象一方面是由于陶瓷车刀本身的材料限制，在加工过程中散热效果差，导致被加工材料表面温升比其它两种车刀加工的材料表面温升更高，而除了清晰的车痕外，另外两个表面还存在一些局部的剥落现象(图7c)，这是由于加工过程中车刀与材料粘连导致的， 因为在一些PTFE摩擦磨损实验中也观测到相同的表面现象[20]，这与摩擦膜的形成有一定的相似性。

图6 不同材料车刀在相同加工条件且无切削液的状态下切削加工的PTFE表面激光共聚焦增强拍摄结果，拍摄尺寸为1500 μm×1000 μm

图7 不同材料车刀在相同加工条件且无切削液的状态下切削加工的PTFE表面激光共聚焦增强拍摄结果，拍摄尺寸为750 μm×500 μm

拍摄添加切削液的样品选取拍摄点的思路与不添加切削液的样品相同，拍摄结果如图8所示，为更进一步看清细节，增加了更大尺度上的拍摄结果，即除1500 μm×1000 μm和750 μm×500 μm的镜头外，还使用了300 μm×200 μm和150 μm×100 μm的镜头进行拍摄。从拍摄结果来看，切削后样品表面刀痕最为清晰的仍然是金刚石车刀加工后的表面，但是添加切削液后金刚石车刀加工得到PTFE表面剥落的情况较未加切削液加工得到的表面剥落现象更为严重。如图8c中圈区域所示，剥落处不规则地分布于所选区域，考虑到这两组样品唯一的变量是切削液的使用，可以得出结论：添加切削液进行加工时切削液持续冲刷切削表面从而导致更多剥落现象的产生。陶瓷刀加工后的表面(图8b)依然布满波浪状涌起，但相较于未加切削液切削得到的表面，表面更加平整，且在150 μm×100 μm镜头下拍摄到的表面十分平滑，也无剥落现象产生，这说明切削后表面的剥落现象与车刀材料有着直接关系，更深层次的原因和PTFE与车刀的表面相互作用所产生的温度有关。

图8 不同材料车刀在相同加工条件且有切削液的状态下切削加工的PTFE表面激光共聚焦增强拍摄结果，拍摄尺寸分别为1500 μm×1000 μm、750 μm×500 μm、300 μm×200 μm、150 μm×100 μm

9 结论

(1) 从AFM的拍摄结果可以看出，随着车削加工时车刀在PTFE表面固定点处停留时间的增加，PTFE的微观表面逐渐光滑，并且表面纤维逐渐由尖利转变为圆钝；

(2) 随着停留时间逐渐延长，车削后的PTFE表面由凹凸不平逐渐转为平滑，且刀痕也更加清晰，随着停留时间的延长，获得车削表面的粗糙度下降速率逐渐减缓，到达一定的粗糙度后下降趋势减缓至近乎停止，最终粗糙度停留在Ra=0.382±0.014 μm；

(3) 不同的刀具材料对加工后的PTFE的表面形貌也有非常大的影响，其中硬质合金车刀和金刚石车刀加工后的表面拥有非常清晰的车痕而陶瓷车刀加工后的表面出现波浪状涌起，这主要是陶瓷车刀本身在加工过程中散热效果差导致，而除了清晰的车痕外，另外两个表面还存在一些局域状的剥落现象，这是由于加工过程中车刀与材料粘连导致。在有切削液的条件下，依然可以得出相同的结论，且在放大更多倍数的图像上可以看到金刚石车刀加工后的表面整体规整，但存在很多局部区域的剥离现象，这说明金刚石与PTFE加工过程中在有切削液的条件下粘连状况相较于另外两者更加严重，但在更宏观的图像上金刚石的车痕最为规整清晰；

(4) 陶瓷刀有无切削液的激光共聚焦拍摄结果间接佐证了温度是造成切削后的表面产生涂抹现象的重要因素，由此可推断出，车削区域可能存在快速加热机制，一旦PTFE被加热到超过其玻璃温度，其表面会出现软化现象，这便是导致PTFE车削加工后表面涂抹现象的原因。在未来的研究工作中，将通过对温度、正压力、剪切力的时空演化观测实验进行更充分地证实。

通过不同的切削参数切断PTFE观测表面形貌实验，得到了PTFE的表面微观形貌随车刀停留时间变化的规律，以及表面粗糙度与车刀进给量、停留时间的对应关系，据此为PTFE加工时车刀材料的选择以及切削参数的选择和切削液的选用提供理论依据。