荊露，牛秋林，陳明，安慶龍，岳文輝，張恒

1湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院；2上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院；3山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院

1 引言

高硅鋁合金(硅含量≥30wt%)具有比重小、熱膨脹系數(shù)低、熱導(dǎo)率高、強(qiáng)度好及耐磨性好等綜合特性，從而滿足了電子封裝模塊日益小型化、輕量化的發(fā)展要求[1，2]。其中，Al-42wt% Si合金作為微波探測、半導(dǎo)體及衛(wèi)星通訊領(lǐng)域中重要的結(jié)構(gòu)件材料，得到了相關(guān)行業(yè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注[3]。然而，作為顆粒增強(qiáng)型金屬基復(fù)合材料，硅含量的增加降低了硅鋁合金的切削加工性，容易產(chǎn)生較大的切削力及較高的切削溫度，從而使表面質(zhì)量惡化，加重刀具磨損[4]。因此，Al-42wt% Si合金的切削加工性較差，其加工表面質(zhì)量受到加工工藝、刀具磨損等多種因素的影響。

近年來，綠色切削技術(shù)因在高效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保等方面表現(xiàn)出的卓越優(yōu)勢而得到快速發(fā)展[5]。其中，超臨界二氧化碳低溫微量潤滑技術(shù)(scCO2-MQL)是將超臨界二氧化碳(scCO2)與微量潤滑技術(shù)(MQL)相結(jié)合并應(yīng)用于切削領(lǐng)域的一項(xiàng)新方法，旨在通過低溫冷卻介質(zhì)的強(qiáng)效冷卻與潤滑油的減摩潤滑特性提高難加工材料的切削加工性[6，7]。scCO2既保持著擴(kuò)散冷卻及對潤滑油的溶解作用，又避免了過度冷卻(如液氮)及高昂成本[8]。Supekar S.D.等[9]發(fā)現(xiàn)，與常規(guī)水基切削液和基于氣體的切削液噴射加工相比，scCO2-MQL冷卻和潤滑作用的雙重結(jié)合可更加有效地減小切削熱，提高散熱效率，降低刀具磨損。Chen J.等[10]通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在scCO2射流中加入可溶性植物油可大大提高刀-工間的潤滑性能。上海交通大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)[11-13]采用scCO2與油膜附水滴混合的方式系統(tǒng)性分析了鈦合金銑削過程發(fā)現(xiàn)，該方式可有效減小切削力并降低切削溫度，抑制刀具磨損并獲得良好的鈦合金加工表面。陳德成等[14]針對高硅鋁合金的高效切削，從顆粒去除方式的角度闡述了該材料在-30℃冷風(fēng)結(jié)合MQL狀態(tài)下的車削性能。已有研究表明，顆粒增強(qiáng)型鋁基復(fù)合材料的鋁基體在冷卻潤滑性能中的影響不容忽視[15]。目前，scCO2-MQL冷卻潤滑技術(shù)仍處于快速發(fā)展階段。

針對硅鋁合金的高質(zhì)高效加工，現(xiàn)有研究大多采用低溫切削或MQL加工方法對硅鋁合金的切削加工性進(jìn)行研究，而對在冷卻和潤滑雙重作用下工件材料的切削加工性和材料去除機(jī)制缺乏深入研究。開展硅鋁合金新型綠色切削工藝研究并分析綠色切削工藝對硅鋁合金切削加工性的影響，對實(shí)現(xiàn)硅鋁合金的高質(zhì)高效切削是有益的嘗試。因此，本文圍繞scCO2和scCO2-MQL兩種綠色加工工藝，針對具有高熱導(dǎo)率、高強(qiáng)度的Al-42wt% Si合金的切削加工性進(jìn)行研究，通過對比分析Al-42wt% Si合金在干切削、scCO2及scCO2-MQL三種切削加工方式下的切削力、表面粗糙度和表面形貌，探討scCO2和scCO2-MQL兩種綠色加工工藝在硅鋁合金銑削加工中的作用。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 工件材料與刀具

工件材料為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為42%的硅鋁合金Al-42wt% Si(天津百恩威新材料科技有限公司生產(chǎn))，對應(yīng)國外牌號CE13，機(jī)械性能如表1所示。工件為100mm×60mm×20mm塊料。采用OSG公司生產(chǎn)的四刃整體硬質(zhì)合金TiAlN涂層銑刀，刀具牌號為9523040K S-EML。刀具長70mm，螺旋刃長17mm，螺旋角37°，切削刃直徑4mm，刀柄直徑6mm。

表1 Al-42wt% Si物理力學(xué)性能

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在DMU 70V立式加工中心上進(jìn)行銑削實(shí)驗(yàn)。其中，將二氧化碳復(fù)合噴霧潤滑冷卻系統(tǒng)ARMORINE iMQL250IE鏈接到加工中心上開展scCO2和scCO2-MQL切削加工實(shí)驗(yàn)(見圖1)。冷卻潤滑采用外置噴嘴方式，噴口與切削區(qū)距離約為70mm。CO2復(fù)合噴霧冷卻潤滑系統(tǒng)氣壓為7.5bar，油霧流量控制為50mL/h，噴口溫度經(jīng)測量為-76℃，潤滑油為可溶性植物油。

圖1 銑削加工

實(shí)驗(yàn)采用全因素設(shè)計(jì)方案和順銑方式。具體切削參數(shù)如下：切削速度vc為50m/min，70m/min，90m/min；每齒進(jìn)給量fz為0.01mm/z，0.03mm/z，0.05mm/z，0.07mm/z；徑向切削寬度ae為2mm；軸向切削深度ap為1.5mm，每刀銑削長度為13mm。加工過程和實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。采用Kistler 9272測力儀對切削力進(jìn)行測量，取穩(wěn)定切削階段的最大值。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，采用JITAI820表面粗糙度測試儀對工件的表面粗糙度進(jìn)行測量。每組切削參數(shù)下重復(fù)測量已加工表面粗糙度6次，結(jié)果取平均值。采用SU3500掃描電鏡觀察工件已加工表面微觀形貌特征。

圖2 銑削實(shí)驗(yàn)裝置

3 結(jié)果與分析

3.1 切削力

切削速度vc和每齒進(jìn)給量fz對切削力的影響規(guī)律如圖3所示。在相同切削速度下，三種綠色銑削工藝中產(chǎn)生的Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z均隨著每齒進(jìn)給量的增加而增大，這是由于隨著每齒進(jìn)給量的增加，未變形切屑厚度增大，單位時間內(nèi)刀齒所做的功增加，進(jìn)而加劇了前刀面上的正應(yīng)力。而在相同的每齒進(jìn)給量下，隨著切削速度的增加Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z的變化趨勢有所差異，這主要由硅鋁合金材料特性及不同切削環(huán)境所引起。

Fx作為徑向銑削力主要反映切削接觸區(qū)的擠壓回彈作用，因此相對于其他切削分力，其增幅較明顯。如圖3a所示，當(dāng)每齒進(jìn)給量一致時，F(xiàn)x隨著切削速度的增大呈減小趨勢。這是由于隨著切削速度的增大，第Ⅱ變形區(qū)處因鋁基體摩擦黏結(jié)及硅顆?；了a(chǎn)生的切削溫度大幅升高，與前刀面接觸的切屑底層材料得以軟化，增強(qiáng)材料熱塑性，抑制了擠壓回彈作用，減少了單位時間內(nèi)的銑削能耗。Fy為進(jìn)給抗力，從圖3b中可知，其變化趨勢與Fx相當(dāng)。

(a)X方向分力

由圖3可知，在大多數(shù)切削參數(shù)下，干銑削所產(chǎn)生的切削力最大，scCO2-MQL冷卻/潤滑條件下切削力最小，這主要與刀-屑、刀-工之間的接觸狀態(tài)有關(guān)。scCO2的噴射可以在加工表面形成一層氣態(tài)保護(hù)薄層，除了可以降低切削溫度外，還具有潤滑、沖刷碎屑、破碎顆粒和抑制二次損傷的作用。在銑削過程中，雖然scCO2的冷卻作用使硅鋁合金的強(qiáng)度有所提升[16]，但是MQL的加入則為刀-工間的接觸提供了更好的潤滑效果，在外界壓力作用下，微米級霧粒高速射至加工區(qū)形成潤滑油膜。另外，硅鋁合金中，顆粒去除產(chǎn)生的坑洞等缺陷為潤滑油提供了更多的儲存空間，且低溫可防止油膜被破壞。因此，scCO2-MQL銑削環(huán)境下刀-工間的摩擦系數(shù)最小，可獲得最小切削力。

隨著切削速度的增大，scCO2及油霧的噴射因受切削速度的影響而使冷卻/潤滑介質(zhì)滲入切削區(qū)的有效時間縮短，降低了介質(zhì)的冷卻/潤滑效果。當(dāng)vc=90m/min時，F(xiàn)x和Fy在scCO2-MQL環(huán)境下最大，在scCO2環(huán)境下最小。

由此可得，scCO2-MQL加工方式可為硅鋁合金的銑削提供良好的冷卻/潤滑條件，但銑削速度過大則會抑制介質(zhì)的有效滲入，對冷卻/潤滑效果產(chǎn)生不利影響。

3.2 表面粗糙度

切削速度vc和每齒進(jìn)給量fz對表面粗糙度的影響如圖4所示。在相同的切削速度下，隨著每齒進(jìn)給量的增加，表面粗糙度呈增大趨勢。這是由于單位時間內(nèi)刀齒做功增加，根據(jù)銑削加工中刀齒的斷續(xù)切削機(jī)理可知，隨著每齒進(jìn)給量的增大相鄰兩刀痕的距離增加，加工表面上的殘余高度增大，增大了表面粗糙度。在相同每齒進(jìn)給量下，切削速度對表面粗糙度的影響并無線性規(guī)律，這源于硅鋁合金的材料特性以及其表面形成機(jī)制。

圖4 切削速度及每齒進(jìn)給量對表面粗糙度的影響

值得注意的是，當(dāng)vc=50m/min時，在不同的每齒進(jìn)給量下，干切削的表面粗糙度均為最低；當(dāng)fz=0.01～0.05mm/z時，采用scCO2銑削工藝的表面粗糙度最大；然而，當(dāng)fz=0.07mm/z時，scCO2-MQL銑削環(huán)境下的表面粗糙度最高。在vc=70m/min和vc=90m/min時，表面粗糙度值在每齒進(jìn)給量較小時的排序?yàn)閟cCO2>干銑削>scCO2-MQL；隨著每齒進(jìn)給量的增加，表面粗糙度排序變?yōu)閟cCO2-MQL>scCO2>干銑削，可見，每齒進(jìn)給量對低溫微量潤滑的影響極為重要。在所有實(shí)驗(yàn)中，scCO2銑削環(huán)境下的表面粗糙度均大于干銑削環(huán)境，scCO2-MQL冷卻潤滑下的表面粗糙度則隨著切削功率的增大而增大，且增幅顯著。

3.3 表面形貌

圖5為三種銑削方式的表面形貌?？芍?，Al-42wt% Si合金加工表面缺陷主要以進(jìn)給刀痕、鋁基體涂覆、顆粒破碎、表面撕裂及顆粒去除后產(chǎn)生的淺凹坑等為主。進(jìn)給刀痕是銑削產(chǎn)生的固有現(xiàn)象，干銑削中較高的切削溫度可以軟化工件，因此進(jìn)給刀痕在干銑削中最為明顯，而scCO2及scCO2-MQL冷卻/潤滑狀態(tài)下工件表面撕裂嚴(yán)重，掩蓋了進(jìn)給刀痕。從圖中還可以看出，干銑削下工件涂覆表面均勻且覆蓋面積大，在scCO2及scCO2-MQL環(huán)境下存在大面積撕裂及硅顆粒破碎所產(chǎn)生的大而淺的凹坑，其中，采用scCO2銑削時基體涂覆面積最小。因此，干銑削下可獲得最佳的表面形貌。

圖5 不同加工工藝下工件表面SEM形貌(vc=50m/min，fz=0.01mm/z)

結(jié)合vc=50m/min，fz=0.01mm/z時的表面粗糙度分析，此時干銑削的表面粗糙度值最小(為0.321μm)；scCO2銑削的表面粗糙度值最大(為1.226μm)，與表面形貌結(jié)果相符。同時，當(dāng)vc=50m/min，70m/min，90m/min時，scCO2-MQL銑削條件下的表面粗糙度在較低的每齒進(jìn)給量下均較小，說明若選取較低的每齒進(jìn)給量，則鋁基體對表面的涂覆作用不會被抑制，而較高的每齒進(jìn)給量則易造成鋁基體撕裂。

在第Ⅲ變形區(qū)處，后刀面對硅鋁合金工件已加工表面的摩擦擠壓利弊兼有：一方面可以使鋁基體延展，熨平表面；另一方面易引起顆粒對表面的二次損傷。scCO2及scCO2-MQL冷卻/潤滑工藝可有效改善切削力及切削溫度，但Al-42wt% Si合金以鋁基體為主，因此對其加工表面形貌起決定性作用的是鋁基體涂覆。在scCO2及scCO2-MQL冷卻/潤滑條件下，邊界潤滑膜的存在可以有效改善刀-工間的摩擦，但同時也對鋁基體的涂覆有所抑制。因此，scCO2可以使鋁基體的強(qiáng)度有所提升，同時作用在鋁基體上的摩擦力及鋁基體變形減少；若此時每齒進(jìn)給量較高，會造成工件表面密集的基體撕裂得不到彌合，產(chǎn)生較差的表面質(zhì)量。

綜上所述，scCO2-MQL銑削工藝對硅鋁合金的適用性在一定程度上取決于硅顆粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和每齒進(jìn)給量的選取[17]。

3.4 不同加工工藝下硅鋁合金質(zhì)量分?jǐn)?shù)對其切削加工性的影響

為進(jìn)一步分析不同銑削工藝下Al-42wt% Si合金表面形貌發(fā)生不同變化的原因，取中等銑削參數(shù)(vc=70m/min，fz=0.05mm/z)下Al-42wt% Si合金與Al-50wt% Si合金的表面形貌加以對比分析。兩種合金的加工條件完全相同。Al-50wt% Si合金具有更高的硅含量，鋁基體相對較少，其屈服強(qiáng)度為210MPa，比Al-42wt% Si合金高61MPa。

圖6a為Al-42wt% Si合金在vc=70m/min，fz=0.05mm/z時的表面形貌?？梢?，在scCO2-MQL冷卻潤滑狀態(tài)下鋁基體撕裂仍是表面質(zhì)量惡化的主要因素。這種現(xiàn)象源于在scCO2-MQL銑削環(huán)境下，潤滑油膜的存在使刀-工間的摩擦系數(shù)降低。當(dāng)每齒進(jìn)給量較低時，外界提供的冷卻潤滑可促進(jìn)鋁基體延展，此時冷卻潤滑作用對硅鋁合金的銑削加工有益。然而，若每齒進(jìn)給量較大，刀齒單位時間內(nèi)切削材料增加，潤滑作用又使得刀具對鋁基體的作用力減少，造成刀具后刀面作用力不足以剪切鋁基體材料，而是將其堆積擠壓，造成大面積表面損傷[18]。

對于鋁含量較多的Al-42wt% Si合金，鋁基體的變形是影響其表面質(zhì)量的決定性因素。scCO2銑削環(huán)境下，其冷卻作用同樣影響鋁基體，抑制了其塑性變形，因此鋁基體涂覆量相比于干切削較少，易產(chǎn)生比干切削更高的表面粗糙度。該表面形成與上述表面粗糙度結(jié)果相符。

相比之下，Al-50wt% Si合金的塑性更低，鋁基體含量更少，此時硅顆粒的去除方式對表面形貌的影響更大，冷卻潤滑作用可有效減小切削力和切削溫度，降低刀-工間摩擦系數(shù)，改善工件表面形貌。圖6b為Al-50wt% Si合金在vc=70m/min，fz=0.05mm/z時的表面形貌?？梢姡摄娤鲿r表面出現(xiàn)延性分層及基體涂覆現(xiàn)象；采用scCO2銑削時，由于低溫提高了鋁強(qiáng)度，因此出現(xiàn)顆粒破碎現(xiàn)象；在scCO2-MQL作用下，潤滑油減小了硅鋁合金的剪切強(qiáng)度，促進(jìn)了鋁基體涂覆且抑制了硅顆粒的拔出，表面僅出現(xiàn)微裂紋及小面積的顆粒破碎現(xiàn)象。Al-50wt% Si合金硅含量的增加有效降低了鋁基體的塑性變形，后刀面對鋁基體的熨平使得其涂覆更加均勻，因此，即使增大每齒進(jìn)給量fz也不易出現(xiàn)鋁基體撕裂現(xiàn)象。結(jié)果表明，Al-50wt% Si合金在scCO2-MQL銑削環(huán)境下可獲得最佳表面形貌。

(a)Al-42wt% Si合金

綜上所述，從硅鋁合金表面形成機(jī)制分析，scCO2及scCO2-MQL銑削環(huán)境可有效改善刀-工摩擦狀態(tài)，并形成邊界潤滑膜以改善表面質(zhì)量。但是，如果硅鋁合金中鋁基體占主導(dǎo)作用，則在scCO2-MQL環(huán)境下不適宜采用較大的每齒進(jìn)給量；對于質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的硅鋁合金，冷卻/潤滑介質(zhì)對切削區(qū)的滲透可有效改善表面質(zhì)量，此時切削環(huán)境占主導(dǎo)作用，而非切削參數(shù)。

Al-42wt% Si合金在scCO2-MQL銑削環(huán)境下，當(dāng)每齒進(jìn)給量較大時，鋁基體將經(jīng)過裂紋—擴(kuò)展—撕裂階段，惡化表面質(zhì)量[19]；采用較小的每齒進(jìn)給量時，冷卻/潤滑作用將提升鋁的延展性，鋁基體經(jīng)過抹拭—微裂紋—涂覆階段可有效彌合表面缺陷。由于Al-50wt% Si合金具有更高的屈服強(qiáng)度，變形程度小，此時切削參數(shù)不占主導(dǎo)作用，鋁基體將直接經(jīng)歷抹拭—微裂紋—涂覆階段，可以獲得較好的表面形貌。

4 結(jié)語

(1)銑削硅鋁合金時，加入scCO2-MQL介質(zhì)可有效降低切削力及切削溫度，改善刀-工間摩擦狀態(tài)。同時，硅顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)對硅鋁合金在scCO2-MQL銑削環(huán)境下的切削加工性有較大影響。當(dāng)鋁基體含量較多時，鋁基體的表面形成特征直接決定表面形貌。

(2)在scCO2-MQL條件下加工Al-42wt% Si合金時，宜采用較低的每齒進(jìn)給量，此時會獲得低缺陷高彌合的表面。當(dāng)每齒進(jìn)給量增大時，鋁基體對表面的涂覆作用將逐步被破壞并產(chǎn)生表面撕裂，惡化表面質(zhì)量。

(3)加工Al-50wt% Si合金時，scCO2-MQL介質(zhì)可有效改善顆粒去除機(jī)制，促進(jìn)鋁基體的涂覆，形成較好的表面形貌。同時，研究結(jié)果表明，加入冷卻/潤滑劑對金屬基復(fù)合材料的切削加工適用性仍有待深入研究，兩相材料的占比不同將直接影響其切削加工性。因此，后續(xù)有必要進(jìn)一步開展多因素綜合作用對其切削效果影響的研究工作。