难加工材料微量润滑及低温辅助切削加工技术研究

安庆龙，韦靖，高斌，党嘉强，徐锦泱，明伟伟，陈明

1上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室；2上海交通大学机械与动力工程学院；3航空工业庆安集团有限公司

1 引言

我国是制造大国，但制造业中的环境污染给工业生产和人们生活带来了巨大挑战。绿色制造有效改变了制造业中的环境污染问题，已逐渐成为世界制造业未来的发展趋势[1]。其中，清洁切削是实现机械加工环境、操作人员和生产资源和谐可持续发展的有效途径，已经被广泛应用于航空、航天、汽车及船舶等各大工业领域[2]。清洁切削是指以减少或禁止使用大量冷却润滑液为导向，通过微量润滑(MQL)及低温辅助微量润滑(CMQL)等手段去除零件材料的机械加工技术[3]。国内外学者对此进行了大量研究，主要集中在新型冷却润滑介质调控、微量润滑及低温辅助切削过程建模、刀具磨损机理及加工表面完整性创成等方面[4-6]。本文对近年上海交通大学在难加工材料微量润滑及低温辅助加工方面的研究进行综述，包括微量润滑及低温辅助切削加工基础理论、典型难加工材料微量润滑及低温辅助切削机理和微量润滑及低温辅助加工表面完整性创成等方面的研究。

2 微量润滑及低温辅助切削加工基础理论

2.1 微量润滑及低温辅助切削加工工作原理

为了保证加工表面质量和加工精度，需严格控制切削过程中的切削温度和切削力。传统冷却润滑方式常采用高压冷却液浇注到切削区域，容易造成环境污染且冷却效果较差。MQL是通过在压缩空气中混入微量润滑油/水，形成微米级雾状气液两相射流，对切削区进行冷却润滑的新技术，具有环境污染低和资源利用率高的优点，已成为一种替代切削液的有效手段。由于微量润滑参与冷却的介质较少，导致切削过程中无法起到较好的冷却效果。基于此，本文将微量润滑技术和低温辅助结合，提出了一种超临界二氧化碳低温辅助微量润滑加工技术(scCO2-MQL，CMQL)，其同时具备了较好润滑和冷却的优点。CMQL工作原理和实物如图1所示。

图1 超临界二氧化碳低温辅助微量润滑工作原理和实物[7，8]

此系统包括三个独立的储液器，分别装载液态二氧化碳、植物油和去离子水，并使用空气压缩机为雾化提供动力。超临界二氧化碳(scCO2)可通过加压、加热及雾化等一系列过程获取，其压力和温度的最低值分别维持在72.8atm和31.2℃。植物油和去离子水润滑介质由单独的运输通道输送到混合容器中，在压缩空气作用下进行雾化，最后与scCO2混合后进入喷嘴，形成了低温微量润滑介质(温度约为-78℃)，并通过喷嘴喷向加工区域。scCO2-MQL中的微量润滑液可减小刀-屑摩擦，降低切削力，延缓刀具磨损；其中的超临界二氧化碳介质可以强化对流换热效应，大幅降低切削温度。基于此装置，本文对难加工材料微量润滑及低温辅助切削加工开展了系列研究工作。

2.2 微量润滑流场分析

针对微量润滑切削中的流场分布特征，上海交通大学团队做了大量研究工作，包括外冷式MQL切削区流场建模及仿真、内冷孔MQL出口流场建模与仿真以及MQL流场分布试验测量及工艺参数优化等。姜立[9]采用Fluent多相流中的离散相模型，通过积分拉格朗日坐标系下的颗粒作用力微分方程求解切削液雾化颗粒的轨道，从而对螺纹车削中切削区的MQL流场分布特征进行了研究，发现压缩空气离开喷嘴时的最高速度接近220m/s，高速气流能够通过切屑侧面进入前刀面的切削区域，并在切屑与前刀面之间形成涡流，因此切屑表面和刀-屑分离处存在高压区域，使进入此区域的气流速度降低，并且进入切削区域的雾滴速度和直径较大，只有在雾炬边缘会有较小的雾滴。

梁旭[10]以实际粒子图像测速法(PIV)的流场检测试验结果为基础反向建立了内冷孔出口MQL双螺旋流场模型，并研究了雾化参数和内冷孔结构参数对内冷孔出口流场的作用(见图2)。研究发现：较高的入口压强有利于增大出口流场速度和减小平均雾滴粒径，而流量对速度场和颗粒分布的影响较小；当内冷孔由方形到扇形再到圆形变化时，出口流速更高且雾化速度更好；当提高内冷孔螺旋角角度，出口流速减小而雾滴粒径增大，冷却润滑效果变差。与此同时，也基于PIV技术获取了不同加工方式下MQL流场分布特征(见图3)，并基于试验结果对MQL的工作参数进行了优化，试验与仿真结果规律一致，有效验证了仿真模型的准确性。

2.3 微量润滑及低温辅助切削摩擦磨损特性

针对MQL及CMQL过程中的摩擦磨损特性，Chen J.等[11]对现有的销盘式摩擦磨损试验机进行改造，加入低温辅助微量润滑环境(见图4)，表征了硬质合金与复合材料切削过程在不同冷却润滑条件下的摩擦学性能。

图5为不同条件下摩擦系数随摩擦时间的变化规律，可得：干摩擦中摩擦系数高达0.55，且摩擦系数并不稳定；scCO2条件中摩擦系数降低至0.30，但超过一定时间后摩擦系数显著增加；scCO2-WMQL中摩擦系数为0.31，且随时间变化基本保持稳定；scCO2-OMQL和scCO2-OoWMQL由于具有优异的冷却润滑性能，摩擦系数降低至0.10。由此可以得出结论：在低温射流中加入MQL润滑介质可显著改善切削区的摩擦特性，从而达到控制切削力和切削温度的目的。

图5 不同CMQL条件下摩擦系数随摩擦时间的变化规律[11]

3 典型难加工材料微量润滑及低温辅助切削机理

3.1 钛合金

An Q.等[7]和梁旭等[12]研究了侧铣钛合金时在干切、scCO2、scCO2-WMQL及scCO2-OoWMQL四种切削环境下的刀具磨损、切削扭矩和表面形貌分布规律时发现，尽管scCO2有优异的冷却性能，但是由于缺少MQL的润滑剂，最终导致刀具磨损量相对干切提高了111%。而scCO2-OoWMQL在抑制刀具磨损以及稳定切削扭矩等方面有优越性能，最终得到不同条件下后刀面磨损量的大小如图6所示，其中scCO2>干切>scCO2-WMQL>scCO2-OoWMQL。Cai Xiaojiang等[13]通过研究MQL工作参数对切削钛合金过程中切削力、刀具磨损以及加工表面质量的影响发现，提高供油率可有效降低切削力和表面粗糙度，但随着供油量的增加，切削刃的侵彻深度增加，切削刃的长度明显缩短。Liu Z.等[14]通过研究干切和微量润滑两种方式车削钛合金时的刀具磨损发现，与干切相比，MQL条件下刀具寿命显著提升，微量润滑可减小后刀面与工件的摩擦，延缓刀具磨损，防止涂层脱落。可以看出，在钛合金切削加工中，为了抑制刀具磨损，润滑似乎比冷却更加重要。

图6 不同冷却润滑条件下钛合金铣削刀具磨损形貌[7]

3.2 不锈钢

如图7所示，姜立[9]对比了不同冷却润滑条件下车削304不锈钢螺纹的切削力分布规律，发现在所有试验条件下，干式切削的合力均大于微量润滑，而冷却液浇注下切削合力最小，但微量润滑在速度较高的切削条件下具有更加明显的效果，在螺纹加工领域具有替代传统湿式润滑的可能性。同时在研究不同润滑方式下切屑形态和刀具磨损的分布规律时发现，冷却润滑方式对于切屑形态的影响较小，但对刀具磨损形态产生重要作用。在干式切削时，刀具前刀面磨损以剥落磨损为主，黏着磨损为辅；微量润滑时，前刀面磨损以黏着磨损为主，剥落磨损为辅；浇注式的前刀面是黏着磨损和剥落磨损共同作用，而刀具后刀面主要是黏着磨损。

图7 三种润滑方式下切削不锈钢螺纹的最大切削合力对比[9]

3.3 铸铁

Tu L.等[15]对比了灰口铸铁、蠕墨铸铁和球墨铸铁三种材料在干切、scCO2以及scCO2-MQL三种环境下的切削力、切削温度、表面粗糙度和刀具磨损差异。发现在三种加工环境中，scCO2-MQL条件下切削力、切削温度和表面粗糙度值均最小，与干切相比，scCO2-MQL条件下的切削力减小了约26%～34%，切削温度降低了约30%～40%，表面粗糙度Ra值降低了约15%～42%，刀具寿命延长了约20%～40%。由此可得，超临界二氧化碳低温微量润滑切削加工凭借其出色的冷却和润滑效果可以显著改善铸铁的切削性能。

3.4 高温合金

Wang C.D.等[16]从刀具磨损机理方面对高温合金在微量润滑条件下的铣削加工进行了系列化研究，获得了不同冷却润滑条件下的刀具磨损变化规律。如图8所示，研究发现，刀具出现严重崩刃现象，因此无涂层刀片不适用于加工高温合金。而微量润滑能有效延长涂层刀具的使用寿命，但MQL喷嘴沿刀具切出方向布置的润滑效率要优于沿刀具切入工件方向布置。崩刃、沟槽磨损和涂层剥落分别是干切削、沿切入和切出方向MQL的主要失效模式。

(a)逆铣

3.5 金属基复合材料

Chen J.等[11]开展了不同冷却润滑条件下金属基复合材料(TiB2/7075)切削性能研究。发现当采用scCO2时，铣削温度显著降低；在scCO2-WMQL条件下，铣削温度低于scCO2条件下的温度；但在scCO2-OMQL条件下，铣削温度高于scCO2条件下的温度。低温加工可以使铣削环境中的最高温度降低10%以上，在scCO2-WMQL条件下可降低36.76%。低温加工可以使切削区铣削温度降低20%以上，在scCO2-WMQL条件下可降低40.88%。干切削条件下的刀具寿命最短，scCO2，scCO2-WMQL，scCO2-OMQL和scCO2-OoWMQL条件下的刀具寿命增长，与干切相比，分别增加了38.46%，98.08%，117.31%和198.08%。特别是scCO2-OoWoMQL在延长硬质合金刀具寿命方面具有相当大的优越性。

3.6 CFRP及CFRP/Ti叠层结构

Zou F.等[17]研究了CFRP层压板在低温条件下的加工性能，特别关注了铣削温度、铣削力、表面质量和表面生成机理，分析了不同切削参数下冷却润滑环境对CFRP铣削性能的影响。如图9所示，发现在低温辅助微量润滑条件下加工表面质量最好。在所有切削环境中，切削力和切削温度随切削参数的变化相似。同时研究结果表明，冷却润滑条件对CFRP复合材料切削加工中材料去除和表面创成机理均有影响，一方面可归因于避免碳纤维和树脂基体性能退化，另一方面可归因于刀具侧面和加工表面之间的摩擦系数变化。该工作首次验证了CMQL冷却润滑方法应用于复合材料加工的可行性。

图9 不同冷却润滑条件下切削加工CFRP表面及边缘质量[17]

Xu J.等[18]对MQL在CFPR/Ti叠层结构钻削过程中的适用性展开研究发现，对于两相材料而言，MQL的引入会增大钻削过程中轴向力，切削过程中CFRP层产生粉末状切屑，在润滑油作用下黏聚成团并黏附在刀具表面上，从而增大了刀具表面与工件间的摩擦力，导致轴向力上升。

4 微量润滑及低温辅助切削加工表面完整性

在加工过程中，改变冷却润滑环境会对切削力和切削温度等产生影响，从而导致加工表面完整性随之动态演变，针对不同加工方式下冷却润滑环境对加工表面完整性的作用规律，上海交通大学研究团队也开展了系列研究工作。

4.1 钻削加工表面完整性

Ji M.等[19]研究了不同冷却润滑环境下钻削CFRP/Ti叠层结构的加工性能，发现在干切削环境下CFRP孔壁出现了严重机械和热损伤，纤维拔出、纤维/基体脱粘以及钛合金切屑划痕主导了孔壁的损伤模式。而在MQL条件下，CFRP孔壁质量得到了显著提升，孔壁表面较为光滑平整，无明显宏观缺陷(见图10)。

(a)干切削

同时，Xu J.等[20]发现MQL条件下钻削扭矩整体呈下降趋势，意味着在MQL环境下钻头与孔壁间的摩擦力降低，进而使孔壁质量得到了有效提升。另外，MQL对于提高CFRP/Ti叠层结构的制孔精度有明显作用。在MQL环境下，CFRP层孔径偏差得到了大幅改善，在高速条件下这一现象更为明显。对于钛合金层而言，原本的扩孔偏差变为缩孔偏差。

4.2 铣削加工表面完整性

Cai C.等[21]在铣削钛合金TC4时研究了scCO2、scCO2-WMQL和scCO2-OoWMQL四种冷却润滑环境对加工表面形貌和表面粗糙度的作用。结果表明，在scCO2-OoWMQL切削环境下，加工表面质量最好，表面粗糙度最小，而单纯scCO2环境下由于刀-工接触区摩擦情况恶化，导致加工表面质量最差(见图11)。同时分析了四种切削环境下已加工表面轮廓及其频谱和切削力及其频谱，发现拍振发生时表面轮廓的主频等于切削力包络的主频(拍振频率)，scCO2-OoWMQL和scCO2-WMQL可以很好提高铣削稳定性。Tu L.等[15]也研究了不同冷却润滑条件下铣削灰口铸铁、蠕墨铸铁和球墨铸铁时亚表面层组织分布。如图12所示，在切削过程中，晶粒沿着进给方向发生塑性变形，石墨易断裂，但CMQL条件下加工表面光滑平整，晶粒变形更加均匀。

图11 不同冷却润滑条件下加工钛合金表面粗糙度随切削参数演变规律[21]

图12 不同冷却润滑条件下铣削灰口铸铁、蠕墨铸铁和球墨铸铁亚表层组织[15]

4.3 磨削加工表面完整性

Dang J.等[8]将微量润滑及低温辅助技术应用在超高强钢的磨削加工中，对比了干磨、冷却液浇注、scCO2和scCO2-OoWMQL四种冷却润滑条件下加工表面完整性的分布规律。发现相比干磨削和浇注式磨削，scCO2磨削表面轮廓的最大高度急剧减少，加工表面质量大幅度提升(见图13)。

图13 不同冷却润滑条件下磨削表面三维形貌[8]

在scCO2-OoWMQL条件下，磨削表面质量不如scCO2条件下好，磨削表面出现了轻微涂覆现象。分析发现，这是由于磨削过程产生的高温高压使微量润滑油膜发生破裂，导致水滴附着在砂轮和工件表面，加上超高强钢切屑的黏性，使得砂轮局部出现堵塞，导致磨粒参与切削的刃口变钝，最终磨削表面残留材料。相比其他磨削环境，scCO2能在加工表面产生更深的晶粒细化层。Dang J.等[22]采用新型聚焦离子束切割(FIB)表征技术从磨削表面提取了表层TEM试样，分析了表层组织分布特征，发现晶粒大小沿深度方向呈现出明显的梯度分布特征，最表层出现超细纳米晶，然后是超细晶、超细板条和位错结构，揭示了磨削表面强化层组织演变的机理。如图14所示，在外界机械作用下，晶粒发生塑性变形，内部位错出现大幅度增殖。在变形过程中，位错开始出现相互缠结，形成位错墙，位错墙吸收周围的位错形成位错胞，位错胞属于不稳定的亚晶粒，在变形过程中逐渐演变成为最终的晶粒。此外，在变形层中还可以观察到明显的碳化物弥散析出现象。同时对比了不同冷却润滑条件下表面残余应力的分布发现，相比于干磨削和浇注式磨削，低温射流磨削可以在表面引入较大幅值的残余压应力。

图14 磨削表面强化层组织演变机理[22]

5 结语

本文简要回顾了近几年来上海交通大学在难加工材料MQL及CMQL加工方面的部分研究成果，主要涵盖微量润滑流场分布建模与试验、微量润滑及低温辅助切削摩擦磨损特性、典型难加工材料(如钛合金、高温合金、不锈钢和复合材料等)微量润滑及低温辅助切削机理、微量润滑及低温辅助切削对不同加工方式下表面完整性创成的作用等，研究内容包括微量润滑流场、刀屑摩擦系数、切削力、切削温度、切削表面质量及刀具磨损机理等指标随冷却润滑条件变化的规律，揭示了相应的机理，这些研究成果对于加速清洁切削相关技术在我国的推广应用具有十分重要的参考意义。