聚碳酸酯超低溫冷卻車削表面形貌試驗研究

包銳 劉闊 張杰 韓靈生 李建明 左月帥 劉海波 王永青

摘要 ：針對聚碳酸酯加工時存在的耐熱性差、變形、溶脹等問題，分別在干切削、水冷和超低溫冷卻條件下進行了聚碳酸酯的車削試驗，并分析了材料加工表面的形貌，從分子鏈弛豫時間、銀紋產生和脆 韌性轉變的角度解釋了加工表面形貌的差異。研究發現，聚碳酸酯干切削表面產生大量粗大銀紋，水冷切削表面產生大量細密銀紋，超低溫冷卻切削表面銀紋較少，因此超低溫冷卻對提高聚碳酸酯的加工質量具有積極作用。

關鍵詞 ：聚碳酸酯；超低溫冷卻切削；銀紋；加工表面形貌

中圖分類號 ：TH161

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.02.002

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Experimental Study of Surface Morphology of Polycarbonate Ultra-low

Temperature Cooling Turning

BAO Rui LIU Kuo ZHANG Jie HAN Lingsheng LI Jianming ZUO Yueshuai

LIU Haibo WANG Yongqing

National Key Laboratory of High Performance Precision Manufacturing，Dalian University of

Technology，Dalian，Liaoning，116024

Abstract ： Aiming at the problems of poor heat resistance， deformation， and swelling， a turning test of polycarbonate was carried out under dry cutting， water cooling， ultra-low temperature cooling， and the shape of the surface was analyzed. The morphological differences of machined surfaces were explained from the perspective of relaxation time of molecular chains， crazing generation， and brittle-toughness transition. It is found that， on polycarbonate surfaces， dry cutting produces a large number of strong crazing， water-cooled cutting produced a large number of fine crazing， while the ultra-low temperature cooling cutting produces less crazing. Therefore， ultra-low temperature cooling has a positive effect on improving the processing quality of polycarbonates.

Key words ： polycarbonate; ultra-low temperature cooling cutting; crazing; machining surface morphology

0 引言

聚碳酸酯是一種非晶態高分子材料，因具有易加工成形性和優異的機械與光學性能而被廣泛應用于航空、航天、汽車、電子、通信、光學、醫療等領域。聚碳酸酯的加工方法主要是注塑成形和機械加工。注塑成形的材料零件通常具有精度低、表面質量差、缺陷分布不可控、可重復制造性差等缺點， 無法滿足精密零件的高使役性能需求，通常還需通過車、銑、鉆的加工方式來提高零件的質量。

聚碳酸酯材料熱導率低，在切削過程中，受刀具摩擦和材料變形的耦合作用會產生大量的切削熱，產生極高的切削溫度，高溫導致材料產生微裂紋。常規冷卻劑中的分子可以擴散到聚合物中導致其溶脹，當表面溶脹力和聚合物內應力的疊加大于分子鏈之間的結合力時就會產生分子鏈的滑移，在宏觀上表現為微裂紋的斷裂 ?［1］ 。針對上述問題，研究人員開展了大量的基礎研究，以實現聚碳酸酯的高精高效加工。楊亮等 ?［2］ 通過超聲振動切削加工聚碳酸酯零件，從一定程度上抑制了溫升對零件精度和加工質量的不利影響。劉逢博等 ?［3］ 在聚碳酸酯薄壁零件加工過程中發現，增加熱處理和時效處理可以消除零件的殘余應力，進而抑制加工中的變形。上述研究通過優化切削工藝和材料預處理工藝提高了聚碳酸酯的加工質量，但并未從根本上解決切削熱帶來的問題，為提高聚碳酸酯的加工質量，仍需探索高效冷卻的加工工藝。

超低溫 （溫度低于-153 ℃） 冷卻切削是一種通過液氮等冷卻介質使加工區域溫度降低的清潔加工方法 ?［4-6］ 。液氮等冷卻介質在噴射壓力作用下進入加工區域，依靠傳導、對流等換熱方式降低切削溫度。冷卻介質為超低溫液體時，對流換熱與氣化同時發生，增強了換熱能力， 降溫效果更顯著 ?［7］ 。近年來，超低溫冷卻廣泛用于高分子聚合物 ?［8］ 、金屬 ?［9］ 、纖維增強復合材料 ?［10］ 等典型難切削材料的加工 ?［11］ ，并被證明具有有效降低切削溫度、延長刀具壽命、提高表面完整性、改善難切削材料性能等優良特性。

SHIH等 ?［12］ 以干冰（-78.6 ℃）為冷卻介質對高分子材料開展了切削對比試驗，發現常規加工方式下的高切削溫度導致較差的加工質量，而低溫輔助加工可以有效提高材料的表面光潔度。KAKINUMA等 ?［13］ 在超低溫冷卻的環境中開展了聚二甲基硅氧烷（PDMS）的研磨試驗并獲得了更好的加工質量，結果分析表明低溫冷卻可以降低研磨溫度，使PDMS材料的玻璃態處于更為穩定的狀態。PDMS超低溫研磨試驗結果表明，超低溫冷卻使加工區域溫度低于-143 ℃，有效抑制了材料的熱變形，對解決PDMS加工中的材料熱黏附和材料收縮問題具有積極作用 ?［14］ 。DHOKIA等 ?［15］ 采用超低溫加工聚合物，發現低溫輔助工藝的實施減少了乙烯醋酸乙烯酯（EVA）和氯丁橡膠的絕熱剪切現象。上述研究發現超低溫冷卻加工工藝對提高高分子材料的加工質量具有促進作用，然而上述研究大多集中于材料的低溫研磨試驗，車削加工的研究較少 ?［16］ 。本文以聚碳酸酯為研究對象，研究了干切削、水冷切削和超低溫切削的切削加工性。

1 非晶態聚合物的斷裂理論

受分子間作用力的影響，分子鏈的運動表現出對時間與溫度的依賴性。時間依賴性表現為高分子材料受力后的運動狀態出現顯著的時間延遲，即分子弛豫；溫度依賴性表現為溫度變化對高分子材料弛豫時間影響明顯。弛豫時間 τ 為高分子材料在外應力場下由一種平衡狀態過渡到與其相適應的另一種平衡狀態時所需的時間。弛豫時間越短，高分子材料受力后發生屈服變形所需的時間越短。根據Eyring型方程，高分子材料鏈段的弛豫時間可以表示為 ?［17］

τ=τ 0 exp （ U－βσ kT ） ??（1）

式中，τ 0為分子鏈未受應力時的松弛時間；U為分子鏈發生相對運動所需克服的活化能壘高度；β為摩爾活化體積，與分子鏈結構和分子間作用力有關；σ為外應力；k為 Boltzmann 常數；T為高分子材料的絕對溫度。

由式（1）可知，分子鏈的弛豫時間τ受絕對溫度T影響，隨著T的降低，弛豫時間變長。

張力作用下，高分子的分子鏈發生局部伸展而產生的空化結構稱為銀紋。銀紋是裂紋產生前應力集中處發生塑性變形的結果，通常出現在非晶態聚合物中 ?［18］ 。銀紋產生的過程不但具有復雜的應力和溫度依賴性，還取決于聚合物的塑性變形狀態（是否拉伸）、聚合物的相對分子質量，以及液體和氣體環境中的溶劑作用 ?［19］ 。

銀紋的生長包括界面擴展和厚度增加。對于銀紋界面的擴展過程，ARGON等 ?［19］ 根據Taylor彎月面的失穩機制，提出銀紋界面會產生沿拉應力方向高度取向的微纖絲且微纖絲之間存在許多微孔的理論，如圖1所示。隨著應力的增大，微孔變多，微纖維斷裂，形成裂紋。

玻璃化溫度以下，引發銀紋生成的臨界應力與應變隨溫度下降而線性增長，這與屈服應力相似，印證了溫度對分子鏈弛豫時間的影響。由式（1）可知，絕對溫度高，材料的分子鏈弛豫時間短，分子鏈活性較高，更容易受外力作用產生微孔、微纖維，進而逐步生長形成銀紋和裂紋，宏觀表現為材料具有明顯的韌性。絕對溫度低，材料的分子鏈弛豫時間長，分子鏈活性較低，受到外力時較難產生微孔、微纖維和銀紋，直接發生脆性斷裂。

2 聚碳酸酯車削試驗的方案設計

試驗使用東莞市博銳塑膠材料有限公司生產的聚碳酸酯棒，尺寸為50×300 mm，材料的密度為1.2 g/cm 3，玻璃態轉化溫度為145～150 ℃，彈性模量為2320 MPa，拉伸強度為60 MPa。

超低溫車削試驗使用圖2所示的內冷切削車刀 ?［20］ ，該刀具可以在240 s內將車削刀片的溫度從13 ℃降至-165 ℃，并避免液氮與切削區域的直接接觸，從而抑制工件的收縮。該刀具將液氮傳輸至車削刀片旁的封閉冷卻通道，增大車削刀片和工件之間的傳熱系數，從而實現切削區域的冷卻。車削試驗使用了刀尖半徑0.4 mm、前角 -21°、 后角0°、切削刃長度15.5 mm的無涂層鈦合金刀片（DNGG150604-LRM）。

試驗現場如圖3所示，液氮罐與內冷車刀用真空絕緣軟管連接，刀具由刀架固定，采用熱成像儀觀察切削區域溫度場。

車削試驗在CD6140A車床上進行。 使用分辨率5400萬像素的超景深數字顯微鏡（KEYENCE ?VHX-600E）觀察加工表面的形貌，使用3D表面形貌儀（ZYGO Corporation-NewView9000）測量工件加工表面的粗糙度和3D形貌，使用熱場發射掃描電鏡（SU5000）測量微觀表面形貌。

為優化車削參數以獲得較低的表面粗糙度，設計了正交試驗，聚碳酸酯的切削參數（切削速度 v ?c、進給速度 n ?f、切削深度 a ?p）和工況（干切削、水冷卻切削、超低溫切削）如表1所示。

3 結果和討論

圖4顯示了不同切削參數和冷卻工藝對聚碳酸酯加工表面粗糙度 Ra 的影響。在相同的冷卻條件下，進給量對表面粗糙度的影響明顯大于切削速度和切削深度對表面粗糙度的影響，進給量越大，表面粗糙度越大。在相同的切削參數下，相較于水冷切削，超低溫冷卻加工可以獲得更小的表面粗糙度，而干切削獲得的表面粗糙度最大。在此基礎上，通過優化車削參數（ v ?c=175.84 ?m/min， ?n ?f=0.035 mm/r， a ?p =1.0 mm）進行車削試驗，研究聚碳酸酯在干切削、水冷切削、超低溫冷卻切削條件下的加工表面質量。

3.1 加工表面粗糙度

通過3D表面形貌儀測得聚碳酸酯已加工表面的粗糙度，為減小測量誤差，每個樣品隨機選取3個位置進行測量，測量完成后對比分析已加工表面在不同冷卻條件下的表面粗糙度，干切、水冷卻、超低溫條件下的已加工表面粗糙度分別為 1.532 μm、 1.210 μm和0.519 μm。與干切削和水冷切削相比，超低溫冷卻切削的聚碳酸酯表面粗糙度 Ra 分別減小了59.2%和48.3%。

3.2 加工表面形貌

為進一步分析已加工表面微觀形貌，通過3D表面輪廓儀采集表面形貌圖。如圖5a所示，干切削的已加工表面出現明顯的不規則刀痕，波峰波谷的分布不連續（干切削缺少冷卻與潤滑）。如圖5b所示，水冷切削的已加工表面形貌與干切類似，雖然水能起到一定的冷卻效果，但冷卻效能不足，材料呈現韌性，不易斷裂，造成表面刀痕深淺不均勻。與干切削和水冷切削相比，超低溫冷卻切削使材料趨向于脆性斷裂，在受到剪切力的作用時更易發生斷裂 ?［21］ ，材料的已加工表面更為平整規則，峰分布較為連續且均勻，如圖5c所示。

為解釋不同切削條件下已加工表面粗糙度的差異，通過超深數碼顯微鏡對聚碳酸酯在3種切削條件下的加工表面宏觀形貌進行觀測（圖6）。加工表面的宏觀形貌可以反映工件在切削過程中的斷裂情況，而宏觀缺陷是導致加工表面質量下降的主要原因。

圖6a所示為干切削的已加工表面宏觀形貌，干切削的切削區溫度過高，導致聚碳酸酯分子鏈的弛豫時間變短，分子鏈進入活化狀態，卷曲程度降低，易產生分子鏈的滑移，材料呈現出韌性，不易被切斷，加工表面出現明顯的屈服變形和燒蝕粘連，加工刀痕很不均勻。這是干切削已加工表面粗糙度大的原因。

水冷條件下的切削區域溫度較干切削有所降低，聚碳酸酯分子鏈的弛豫時間有所延長，已加工表面的粗糙度減小，但加工表面仍不平整，刀痕也不均勻，如圖6b所示。

超低溫冷卻條件下的加工表面宏觀形貌如圖6c所示。超低溫冷卻使切削區域溫度大幅度降低，聚碳酸酯分子鏈的弛豫時間大大延長，分子鏈卷曲程度較高，不易受外力影響而產生分子鏈間的滑移等形變，宏觀表現為材料的韌性降低、脆性提高，擠壓變形和已加工表面的回彈變形均減小，加工表面平坦，沒有明顯的屈服變形和加工刀痕等缺陷，因此超低溫冷卻加工獲得的已加工表面粗糙度最小。

3.3 切削溫度的影響分析

3.3.1 切削表面溫度場分析

使用熱成像儀對聚碳酸酯車削區域表面溫度場進行測量。圖7所示為不同工況下的聚碳酸酯切削表面溫度場，可以發現，超低溫冷卻加工具有更低的切削溫度，切削區的最高溫度（SP1）比干切削和水冷切削分別低142.2 ℃和81 ℃。

圖7a所示為干切削時聚碳酸酯切削表面的溫度場，可以看出，干切削產生的切削熱主要由切屑帶走，其余切削熱分布于已加工表面和刀具上，切削區域的最高溫度達到137.5 ℃。干切削產生的切屑卷曲程度和斷裂韌性較高，容易纏繞堆積在工件表面，這進一步提高了切削區域的溫度。另外，纏繞在工件上的切屑會劃傷已加工表面，對已加工表面質量帶來不良影響。

水冷切削的切削區域表面溫度場如圖7b所示。切削產生的切削熱大部分由水帶走，在冷卻充分的條件下，切削區域的最高溫度為76.3 ℃，比干切削時降低了61.2 ℃。切屑的卷曲程度較干切削有所降低，但是切屑仍會纏繞在工件周圍，劃傷已加工表面，不利于加工質量的提高。

圖7c為超低溫冷卻條件下的切削區域表面溫度場圖像。切削產生的切削熱主要由液氮氣化帶走，切削區域的最高溫度僅有-4.7 ℃，比干切削、水冷切削分別低142.2 ℃和81 ℃，刀具溫度低于熱成像儀的最低測量溫度-60 ℃。超低溫冷卻顯著降低了切削區域的溫度，進而降低材料的塑性，這對切屑斷裂具有促進作用。低溫冷卻條件下，切屑的纏繞問題得到改善，工件表面劃傷得到抑制，對提高加工質量具有積極作用。

3.3.2 脆韌轉變分析

由式（1）可知，非晶態聚合物絕對溫度的升高會縮短分子鏈的弛豫時間，提高分子鏈的活性，使分子鏈間的滑移變得容易。因此，干切削的高溫導致分子鏈的結合力降低，使分子鏈在切削力擠壓作用下更容易滑動，材料的斷裂韌性提高 ?［22］ ，不易被切斷，導致加工表面粗糙度提高，如圖8a所示。水冷條件下，切削區域溫度較干切削有所降低，材料分子鏈的弛豫時間延長，在一定程度上抑制了分子鏈間的滑移，從而抑制擠壓現象，降低已加工表面的粗糙度。然而，水冷切削的切屑會纏繞在工件表面，與已加工表面摩擦，影響表面粗糙度并使切削區域溫度提高，因此水冷切削的已加工表面粗糙度仍然較高。超低溫冷卻可以有效地降低切割區的溫度，縮短弛豫時間，提高分子鏈的結合力，溫度降低使材料在加工時呈現出區別于干切削和水冷卻切削的脆性特征 ?［22］ 。分子鏈會在滑移之前斷裂，宏觀表現為材料容易被整齊切斷，且切屑不會纏繞在工件表面和周圍，加工表面質量得到保證，已加工表面粗糙度也最小，如圖8b所示。

3.3.3 銀紋分析

通過熱場發射掃描電鏡對不同切削條件下的聚碳酸酯微觀表面形貌進行觀測（觀測倍數為1000）。聚碳酸酯導電性不好，觀測前需對樣品進行75 s的噴金處理。

干切削的切削區域溫度較高，分子鏈弛豫時間較短，分子鏈活性較高，材料表現出很高的韌性，因此斷裂時會先形成微孔洞，再由微孔洞逐漸形成銀紋，最后銀紋逐漸擴展成為裂紋。已加工表面存在大量粗大銀紋、孔洞，表現出典型的韌性斷裂特征，如圖9a所示。

水冷條件下，切削區域的溫度比干切削的低，分子鏈弛豫時間有所延長，但是材料仍呈現出一定的韌性，已加工表面存在大量明顯且較干切削更加細密的銀紋，如圖9b所示。

圖9c為在超低溫冷卻條件下材料已加工表面的微觀形貌觀測圖。超低溫冷卻的切削區域溫度較低，材料分子鏈的弛豫時間大大延長，分子鏈活性較低，材料趨向于脆性斷裂，因此在斷裂時基本不會存在形成銀紋的階段。已加工表面沒有觀測到明顯的銀紋，加工表面較為平整，因此超低溫冷卻切削的已加工表面粗糙度最小。

4 結論

（1）相較于干切削和水冷切削，超低溫冷卻切削可以顯著降低聚碳酸酯切削區域的溫度。切削區域的溫度改變直接影響聚碳酸酯的分子鏈弛豫時間和脆韌性轉變。切削區域溫度越低，分子鏈弛豫時間越長，材料脆性越強；切削區域溫度越高，分子鏈弛豫時間越短，材料韌性越強。

（2）聚碳酸酯加工表面的粗糙度與加工條件下材料的脆性和韌性有關。聚碳酸酯材料分子鏈弛豫時間越長，分子鏈活性越低，不易因擠壓變形產生分子鏈間的滑移，因此趨向發生脆性斷裂，使已加工表面粗糙度更小。反之，分子鏈弛豫時間越短，分子鏈活性較高，分子鏈間容易產生滑移，斷裂方式呈現為韌性斷裂，使已加工表面粗糙度增大。

（3）聚碳酸酯的加工表面形貌受銀紋的形成與斷裂的影響。銀紋是分子鏈之間構象變化的結果，超低溫冷卻切削區溫度的降低可以顯著抑制銀紋的產生，并使材料的斷裂方式趨向于脆性斷裂，加工表面較為平整。相比之下，干切削誘發了大量具有典型韌性斷裂特征的粗大銀紋；水冷降低了銀紋的斷裂極限，導致加工表面出現較為細密的銀紋。

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（ 編輯 張 洋 ）

作者簡介 ：

包 銳 ，男，1999 年生，碩士研究生。研究方向為超低溫冷卻加工技術。發表論文1篇。E-mail：2879779864@qq.com。

劉海波 （通信作者），男，1983年生，教授、博士研究生導師。研究方向為超低溫冷卻加工技術、測量-加工一體化制造方法與裝備、在機/在位精密測量技術與系統。發表論文80余篇。 E-mail：hbliu@dlut.edu.cn。