航天鋁合金框環微量潤滑車削試驗研究

何萬林,劉爭,吳雪松,趙立國,夏松

首都航天機械有限公司

1 引言

隨著航天產品精細化程度及自動化技術對生產節拍要求日益提高,對單個產品加工精度、加工效率及加工連續性也提出了更高的要求,而在車削加工中,切削區域溫度很大程度上影響著表面質量、切削效率以及刀具磨損[1]。航天企業中傳統立式車削機床多采用干式切削技術,其切削區域溫度高,容易產生積屑瘤,降低刀具壽命,影響進給速度及切削用量,制約產品加工質量和效率[2]。澆注冷卻方式在產品高速旋轉過程中容易導致切削液飛濺,且切削液用量大,成本高且污染環境[3,4]。微量潤滑方式既能實現加工過程的有效潤滑,控制切削區域溫度,同時也能降低90%以上的切削液用量[5]。

微量潤滑切削技術也稱為最小量潤滑,是一種典型的準干式切削方法,是指將壓縮氣體與極微量的潤滑劑混合汽化,形成微米級的液滴,并噴射到加工區域進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的滲透和吸附能力,可在切削界面產生有效油膜,降低接觸面摩擦因數及切削溫度,進而延緩刀具磨損,提高加工產品表面質量[8,9],在鋁合金、鈦合金、軸承鋼等金屬零件加工中應用廣泛[10,11]。

本文基于中型立式車床,設計內冷式微量潤滑車削刀柄,搭建微量潤滑系統;以大型鋁合金為研究對象,分析了微量潤滑條件下產品表面粗糙度、刀具磨損情況以及加工過程中機床負載隨切削時長的變化,為微量潤滑在大型鋁合金零件車削加工中的應用提供示范。

2 微量潤滑系統

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,將微量潤滑發生裝置安裝在機床頂部,并將油氣管路由滑枕穿入,經接搭器進入車刀座,通過刀尖側壁的通道使微量潤滑霧粒有效噴射到刀尖,實現車削加工內冷微量潤滑。同時,將微量潤滑發生裝置控制系統與華中數控系統集成,通過IO點控制方式,基于M8/M9指令實現微量潤滑的開關控制。

圖1 微量潤滑車削加工系統

微量潤滑發生裝置(見圖2)能夠實現油水氣復合并形成油霧、水霧或油水氣霧,可數字化調控氣體壓力、微量潤滑油用量和冷卻水用量,微量潤滑裝置與數控機床聯動控制,加工時微量潤滑參數和切削參數自動匹配。

圖2 微量潤滑發生裝置

3 切削試驗

3.1 試驗條件

運載火箭典型框環類零件(見圖3)是用于運載火箭各級之間連接的關鍵結構件,采用整體鋁合金鍛件整體車削加工,材料去除量達到90%以上。以鋁合金框環(直徑1.9m)為對象進行微量潤滑切削加工試驗。

圖3 典型框環類零件

采用森泰英格PSC6-PDJNR-45065-15.HT刀柄,內含微量潤滑通道;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表面粗糙度儀測量加工后產品的表面粗糙度,分辨率為0.001μm,測量方法為周向和軸向各測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綜合采樣器檢測切屑區域懸浮顆粒濃度,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)和不同進給速度(0.1mm/r,0.2mm/r,0.3mm/r,0.4mm/r)的車削試驗,切削深度為0.7mm,每種參數下切削寬度為10mm,研究切削初始階段微量潤滑對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DLC涂層進行長時間切削試驗(切削速度V=370m/min,進給速度f=0.3mm/r,切削深度ap=3mm),記錄切削過程中機床負載、刀具磨損、表面粗糙度以及切削區域顆粒物濃度,進一步研究在不同切削條件下刀具長時間車削后的磨損情況及切削力變化情況,以及對車削區域環境的影響。圖5為框環類零件切削試驗的實驗現場。

圖5 框環類零件切削試驗

4 試驗結果與分析

4.1 微量潤滑對表面粗糙度的影響

采用DLC涂層刀具車削加工后的表面如圖6所示,表面粗糙度隨進給速度變化如圖7所示,刀具磨損情況如圖8所示?？梢钥闯?微量潤滑條件下的粗糙度值低于干切削,且隨著進給量增大,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

干切削條件會產生較高的切削溫度,在高溫及高接觸壓力作用下,刀具局部出現積屑瘤(見圖8a),影響產品表面質量,導致表面粗糙度增大;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,無明顯積屑瘤產生,所形成的表面質量優于干切削模式,表面粗糙度較低。此外,由于DLC涂層具有較強的耐磨性,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。

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,摩擦因數較高,切削初始便出現較快的磨損。而進入正常磨損階段后,微量潤滑降低了刀具磨損速度,此時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,同樣參數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量,且在高進給速度下表現出明顯效果。

(a)修光刃 (b)加工后粗糙度

在切削速度360m/min時,微量潤滑粗糙度在低進給速度下略好于干切削,而高進給速度下與干切削相近。這是因為隨著試驗進行,此時刀具已經切削一定時間,微量潤滑下的刀具也進入正常磨損階段。

4.2 微量潤滑對刀具壽命及切削負載的影響

基于DLC涂層刀具進行連續切削,切削參數為V=370m/min、f=0.3mm/r及ap=3mm,記錄隨著切削時間增加Z軸負載的變化情況(Z軸負載變化為加工過程Z軸負載與加工前空載Z軸負載差值),同時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,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。同時摩擦力的降低也影響切削區域溫度,減少切削熱的產生,有效抑制了切屑與刀片黏結產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,相同切削時間內,微量潤滑條件下的Z軸負載變化量小于干切削,Z軸負載主要反映切削過程中軸向力的變化情況(進給方向切削力)。

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

通過Z軸負載變化可知,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;隨著切削時間增加,干切削條件下刀具前刀面及切削刃更早產生積屑瘤及氧化磨損,導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。

切削結束后對表面粗糙度進行測量,微量潤滑條件下表面粗糙度為2.323μm,干切削條件下產品粗糙度達到了7.685μm,加工后的表面如圖16所示,干切削條件下刀具磨損導致的表面粗糙度增大十分明顯。

圖16 加工表面質量對比

4.3 切削區域顆粒物濃度分析

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

5 結語

針對航天鋁合金框環開展了微量潤滑切削加工試驗,探討了微量潤滑應用的效果,結論如下。

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

(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入正常磨損階段,圓角處形成類似修光刃效果,導致干切削粗糙度略低于微量潤滑;而隨著切削時間增加,微量潤滑下刀具進入正常磨損階段,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域煙霧濃度,與干切削相比,在相同切削參數下,懸浮顆粒濃度能夠從超過1mg/m3降低到0.2mg/m3,后續可通過在切削區域增加煙霧回收裝置進一步降低微量潤滑對切削區域環境的影響。

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品表面質量,降低粗糙度,減緩刀具表面磨損,延長刀具使用壽命,并有效降低切削區域煙霧濃度,實現綠色清潔切削加工。