低溫冷風微量潤滑在30CrMnSi結構鋼切削加工中的應用

高巍,劉波,李長河,張彥彬,陶桂寶,趙巍,聶曉霖,饒春紅,孫勇,楊偉

1四川新航鈦科技有限公司;2青島理工大學機械與汽車工程學院;3重慶大學;4成都工具研究所有限公司;5南京科潤工業介質股份有限公司

1 引言

30CrMnSi是一種中碳鋼,材料硬度高,調質后具有很高的強度和韌性,常用于航空航天行業中飛機起落架的材料。在起落架產品生產加工過程中,受材料塑性變形和摩擦力的影響,切削區域會產生大量切削熱,容易導致刀具的刃口變形,使產品的表面質量下降,刀具受損嚴重[1]。因此,加工時,需對切削區域進行充分冷卻,以保障產品質量,確保尺寸精度及穩定性,同時延長刀具壽命。

目前,常用的冷卻潤滑方式主要為切削液澆注式冷卻,即利用固體與液體間的熱傳導方式進行散熱。而澆注式冷卻潤滑的使用成本相對高昂,污染嚴重且威脅工人的身體健康,不符合綠色制造發展需求。

微量潤滑技術(MQL)是介于干切與濕切間的一種環境友好型冷卻潤滑技術,通過壓縮空氣生成微米級油霧,再通過內冷刀柄或外接噴嘴直接噴射至加工區域進行冷卻潤滑。在適宜的工藝參數下,微量潤滑油霧的用量極低,采用可降解的微量潤滑油可以確保對環境無污染。微量潤滑技術還可以滿足部分不能使用切削液冷卻的潤滑材料加工需求,如鎂合金及復合材料加工。微量潤滑僅依靠高壓氣體對切削區域進行冷卻,冷卻效率不足限制了其在航空航天領域的進一步應用。

低溫冷風微量潤滑技術(CW-MQL)兼具微量潤滑技術與低溫冷風技術的優點,其加工效果優于MQL[2]。冷風溫度要求在-60℃～-30℃間,通過冷風裝置將壓縮氣體降溫后,再與微量潤滑油混合并生成低溫油霧,噴射至切削區域進行冷卻潤滑。低溫冷風微量潤滑可為切削區域帶來更大的溫度梯度,熱傳導速率更高,冷卻效果更好,其低溫特性可使金屬材料表面發生低溫脆性斷裂傾向,從而提高材料的加工性能,降低切削力,進而抑制切削熱的生成。

低溫冷風微量潤滑技術最早于1996年由日本明治大學的橫川和彥教授提出,通過可行性研究并奠定了理論基礎[3]。雖然我國低溫冷風微量潤滑技術起步較晚,但已廣泛開展相關研究工作并取得不錯的成果。北京航空航天大學袁松梅等[3]采用自主研發的低溫冷風微量潤滑設備,已完成對鋁合金、鈦合金及高強鋼等材料的加工實驗,效果良好。

目前,低溫冷風微量潤滑技術已逐漸從一種冷卻技術向一種冷卻工藝發展,本文針對不同產品,研究了冷卻參數的相應調整工藝,并將冷卻工藝參數納入低溫冷風微量潤滑加工產品的加工工藝參數考慮中,以實現對冷卻潤滑的精確調控。

2 30CrMnSi結構鋼加工實驗

實驗采用低溫冷風微量潤滑設備,由重慶大學陶桂寶教授自主研發的低溫冷風微量潤滑設備可實現參數化調控低溫油霧的輸出,可以控制冷卻介質溫度、低溫油霧流量和壓力等參數。低溫冷風的最低溫度為-60℃,溫度及油氣流量均參數化可調,可設置不同的冷卻工藝參數,適配各產品的各個工序。

微量潤滑油選用南京科潤的清潔切削油KR-MQL15,該切削油為合成酯基微量潤滑油,黏度適宜,霧化性能好,氣味小、油煙少且不含重金屬及硫、磷、氮等元素,在-40℃工作環境下仍可保持穩定性能。切削油的各項性能見表1。

表1 KR-MQL15微量潤滑油性能

實驗刀具由成都工具研究所提供,刀具設計過程中建立力學模型進行應力分析和振動分析,以計算或驗證刀具的結構形式和具體尺寸。以降低慣性離心力、避免應力集中、減小彎曲變形、減少磨擦和增加疲勞強度為設計原則來精密設計刀具的各項參數,通過切削實驗確定切削角度。設計有特殊的斷屑槽,以控制切屑大小和排出方向,進而控制切屑飛濺,并通過高壓氣體實現便捷排屑,避免切屑堆積。

如圖1所示,刀具刃口采用微刃帶設計,圓柱刃帶精準控制在0.05～0.1mm。在裝夾可靠的前提下,極小的刃帶可以保證刀具刃口很小的跳動,使被加工表面質量更好。同時,也保證了銑刀在高速加工中具有更好的動平衡,延長了刀具壽命,保護了機床主軸精度。由于存在極小的圓柱刃帶,可在不影響刀具鋒利度的情況下加強刃口強度,減小刃口崩缺的可能性和延長刀具壽命。

圖1 刃口結構

以30CrMnSi結構鋼的飛機起落架零件為實驗對象材料,材料狀態為熱處理前。實驗對象的切削區域不存在閉角、深腔或深孔結構,所有工序中不存在油氣噴射盲區,可保證低溫油氣充分作用至加工區域,零件結構如圖2所示。

圖2 實驗中的被加工工件

實驗主要切削參數見表2,實驗參數沿用切削液澆注式冷卻現行的工藝參數,未進行適配性調整。

表2 工件的切削參數

使用低溫冷風微量潤滑技術順利完成了實驗件的初次加工,但由于切削參數未進行適配,局部區域冷卻不到位,導致表面粗糙度較差。加工過程中,由于壓縮空氣氣源濕度較高且未及時處理,噴管處出現冷凝結冰,影響低溫油氣噴射效果。低溫油氣噴射后,工件表面局部區域出現冷凝水,因處理不及時導致零件出現銹斑,實驗過程如圖3所示,加工后實驗件表面如圖4所示。

圖3 實驗加工過程

圖4 加工后的表面

根據實驗結果對切削參數進行優化,參數優化主要遵循以下原則:當加工工序中存在切削量較大、冷卻不充分時,可適當降低冷風溫度,提升油霧噴射流量;在保障相同加工效率的前提下,可以選擇小切深、大進給的切削參數優于大切深、小進給的切削參數;在不影響表面質量的前提下,可適當降低轉速;對腔、孔等特征進行加工時應考慮走刀方式是否能保證低溫油霧有效噴射至加工區域。

對壓縮空氣進行除濕處理后,冷凝結冰現象得到緩解,表面銹斑問題得到解決。根據上述原則進行參數優化并適配工藝參數,冷卻潤滑效果更佳,表面質量得到相應改善。優化后的切削參數見表3。

表3 優化后的切削參數

優化參數后進行實驗,工件的表面質量如圖5所示,切削液澆注式冷卻潤滑獲得的加工表面粗糙度為Ra3.2,低溫冷風微量潤滑實現的表面粗糙度為Ra0.44,可見,優化后的工藝對加工表面質量有顯著提升。

圖5 采用優化參數后的工件表面質量

3 低溫冷風微量潤滑冷卻工藝應用

隨著航空航天技術發展,高性能材料逐漸推廣應用,傳統澆注冷卻方式受限于冷卻介質本身及冷卻效率,難以滿足航空航天高性能材料的加工需求。

鈦合金具有比強度高、耐腐蝕性好、耐熱性高等優良綜合性能,在航空航天領域中廣泛應用于飛行器機體、發動機葉片、機匣等關鍵耐疲勞結構件。但是,鈦合金導熱率低,加工時刀具吸熱嚴重,刀具磨損加快并使切削熱上升,影響加工效率和成品最終尺寸,且鈦合金在加工過程中若產生切削過熱形成蝕點,則極易與空氣中的氫元素產生反應形成氫脆。鎳基合金具有良好的熱導性、熱穩定性和熱疲勞性,已成為航空航天發動機、燃氣輪機葉輪、葉片、機匣燃燒段的主要材料,但鎳基合金的硬度高,加工過程中存在切削力大、切削溫度高的問題,會導致刀具磨損嚴重,切削效率低,難以穩定保證尺寸精度。鎂合金具有密度低、重量輕、比強度好、比剛度高、阻尼性及導熱性好、電磁屏蔽能力強等優良綜合性能,在航空航天及軍事工業領域中,一般應用于導彈艙段、雷達罩體等輕質高強度結構件[4],由于鎂合金的化學活性高,易與切削液中的極性添加劑反應,導致切削液失效及零件表面腐蝕。同時鎂合金的燃點低(520℃),采用干式切削易出現切削熱堆積達到燃點,引發火災導致事故。

低溫冷風微量潤滑中的低溫氣體具有高效對流換熱機制,切削油有優異的潤滑性能,可以為航空航天領域金屬加工的冷卻方式提供更多選擇[5]。加工中需根據具體條件選擇適宜的冷卻潤滑技術。例如在先進的刀具材料及自潤滑涂層支持下,干式切削是部分鋼件環保經濟的冷卻潤滑方案選擇;切削液澆注式冷卻潤滑具有更強的通用性,使用便捷,應用范圍廣;相較于切削液澆注式冷卻潤滑,微量潤滑技術及低溫冷風微量潤滑技術更環保,其噴射的高壓氣體有很好的排屑效果,在部分工況下(如深孔加工)有獨特優勢,可以高效排屑,避免切屑擠壓劃傷孔壁,作為切削液的替代品,加工油也可以避免金屬表面腐蝕[6]。

在了解低溫冷風微量潤滑技術特點的前提下,根據所加工產品的工藝,將冷卻工藝參數納入整體加工工藝協同研究,將冷卻溫度、油霧流量、轉速、進給速度、背吃刀量以及刀路軌跡規劃納入工藝考量,最終實現綠色環保、高效和高質量加工。例如在批量生產某重型離心機中的30CrMnSi材質精密定位銷時,通過借鑒上述實驗件工藝參數及冷卻潤滑手段,改善了工件表面粗糙度,保障了批產件的尺寸穩定。

4 結語

目前,低溫冷風微量潤滑技術發展已經相當成熟,而低溫冷風微量潤滑的工作機理與澆注切削液式冷卻不同,低溫冷風微量潤滑技術的作用區域有更明確的指向性,這種指向性在實現環保的同時,也要求其切削工藝參數需進行相應的優化調整,即將低溫冷風微量潤滑的冷卻參數(溫度及介質流量等)與轉速、進給速度及背吃刀量進行適配性研究,是低溫冷風微量潤滑技術在工程應用階段的技術關鍵,而工藝參數的適配也是低溫冷風微量潤滑技術進一步推廣應用的必然方向。

通過對30CrMnSi結構鋼件加工工藝參數進行適配性研究,以小切深、高進給加工策略保障加工效率,相較于澆筑切削液式冷卻潤滑,加工效率提升20%以上。切削油潤滑效果優良,局部區域表面粗糙度由Ra3.2提升至Ra0.44。加工過程僅使用少量可降解的潤滑油,加工后無任何廢液產生,無需進行危廢處理,真正實現了綠色環保、高效和高質量加工,是低溫冷風微量潤滑技術在航空航天領域的典型應用。

低溫冷風微量潤滑對30CrMnSi結構鋼等高性能材料精密加工有很高的應用價值,冷卻潤滑環節高效可控,將生產制造中冷卻潤滑環節納入可考量控制的范圍,顯著提升了工藝穩定性和可靠性。