黃鵬，羅偉，熊雪峰

中國(guó)工程物理研究院材料研究所

1 引言

鈮合金材料具有較高的熔點(diǎn)和高溫強(qiáng)度，同時(shí)具有高延展性、導(dǎo)熱性、比強(qiáng)度以及適中的密度，在航天等領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用前景[1]。鈮合金材料零部件切削加工后的表面質(zhì)量對(duì)零部件的裝配、使用性能和工作壽命等有非常顯著的影響，是衡量其性能的重要指標(biāo)之一。目前，在機(jī)械加工制造業(yè)新形勢(shì)的驅(qū)動(dòng)下，面臨提升鈮合金材料零部件加工表面質(zhì)量的迫切需求。通過開展鈮合金材料切削加工過程中刀具的優(yōu)化研究工作發(fā)現(xiàn)，在鈮合金材料的普通切削加工過程中，硬質(zhì)合金刀具比CBN刀具有更優(yōu)的耐磨性和切削作用效果，而在鈮合金材料的超精密切削加工過程中，CBN刀具更適合微量去除切削加工。

切削液對(duì)切削加工表面質(zhì)量有重要影響。金屬切削加工過程中，刀具-工件-切削液三相體系間具有良好的冷卻、潤(rùn)滑狀態(tài)，可以有效減少摩擦帶來(lái)的切削熱和切削力，降低刀具磨損速度和提高刀具使用壽命，保證工件切削加工后的表面質(zhì)量。由于鈮合金的特殊物理化學(xué)性能，采用去離子水作為切削液，具有優(yōu)異的冷卻效果，但是其潤(rùn)滑性能較差。因此，提出了在不改變水基切削液體系的前提下，利用二維納米材料改性水基切削液來(lái)改善潤(rùn)滑性能，從而提升鈮合金材料零部件切削加工的表面質(zhì)量。

石墨烯是典型的二維納米材料，具有高導(dǎo)熱系數(shù)、高耐腐蝕性和良好的減摩性能。石墨烯納米片作為潤(rùn)滑添加劑，由于其單原子層厚度和幾十至一百納米的橫向尺寸，可以在切削加工過程中有效作用在刀具-工件-切屑位置，顯著降低摩擦系數(shù)。姚斌等[2]開展了石墨烯作為水基半合成切削液添加劑在硬質(zhì)合金-鋼材料的作用機(jī)制，結(jié)果表明，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的石墨烯添加劑具有最優(yōu)減摩效果，相比干摩擦和半合成切削液，磨損率分別減少了97.8%和33.8%。J.Samuel等[3]將石墨烯改性半合成金屬切削液用于微加工，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，石墨烯改性切削液可以有效改善浸潤(rùn)性、熱導(dǎo)率和動(dòng)態(tài)黏度，使加工過程中的切削力和切削溫度顯著減小。

因此，針對(duì)鈮合金材料切削加工的特點(diǎn)，提出利用單層石墨烯納米片和單層氧化石墨烯納米片來(lái)改性水基切削液。在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上開展了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)改性水基切削液的摩擦磨損試驗(yàn)，獲得了不同工況下摩擦系數(shù)圖表，從而得到優(yōu)化的改性水基切削液類型。進(jìn)一步開展鈮合金材料的切削加工試驗(yàn)，比較改性水基切削液和去離子水的切削加工作用效果。通過開展有限元仿真分析，探索改性水基切削液改善鈮合金材料零部件切削加工的作用機(jī)制。

2 摩擦磨損試驗(yàn)

2.1 二維納米材料改性水基切削液的制備

采用蘇州先豐納米科技有限公司的二維納米材料改性水基切削液，單層氧化石墨烯溶液濃度為0.2%，片徑約為50～200nm，厚度為0.8～1.2nm，單層石墨烯溶液濃度為0.1%，片徑約為0.5～5μm，厚度約為0.8nm，單層率≥80%，采用PVP溶劑分散。為了探究不同濃度二維納米材料改性水基切削液的作用效果，在摩擦磨損試驗(yàn)中分別對(duì)不同類型溶液進(jìn)行了稀釋，制備得到四組二維納米材料改性水基切削液，分別為0.2%濃度氧化石墨烯溶液、0.1%濃度氧化石墨烯溶液、0.1%濃度石墨烯溶液和0.05%濃度石墨烯溶液。

2.2 摩擦磨損試驗(yàn)

在BRUKER UMT Tribolab型號(hào)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)，接觸形式為球-盤摩擦副的接觸模式，上試樣為直徑φ3mm硬質(zhì)合金微球，下試樣為定制加工的鈮合金圓盤，表面粗糙度值優(yōu)于0.8，下試樣在主軸驅(qū)動(dòng)下作連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。球-盤摩擦副的摩擦磨損試驗(yàn)見圖1。

硬質(zhì)合金微球-鈮合金圓盤摩擦磨損試驗(yàn)參數(shù)如下：試驗(yàn)載荷為20N，主軸轉(zhuǎn)速為200r/min，硬質(zhì)合金微球中心到鈮合金圓盤中心距離為20mm，試驗(yàn)時(shí)間為10min。不同切削液介質(zhì)工況下球-盤摩擦副的摩擦磨損試驗(yàn)?zāi)Σ料禂?shù)結(jié)果見圖2，所有的切削液摩擦系數(shù)曲線均呈現(xiàn)出前高后低的特性。

圖2 不同工況下的摩擦系數(shù)

去離子水在剛開始約60s內(nèi)的摩擦系數(shù)約為0.48，隨著時(shí)間的推移，其摩擦系數(shù)降至約0.31，并基本保持穩(wěn)定。原因是試驗(yàn)初期的鈮合金圓盤表面比較粗糙，而在硬質(zhì)合金微球摩擦磨損一段時(shí)間后，其表面的粗糙峰逐漸被磨掉，從而使摩擦系數(shù)顯著減小并趨于穩(wěn)定。對(duì)于不同濃度的石墨烯溶液和氧化石墨烯溶液，其摩擦系數(shù)相對(duì)于去離子水均有一定程度的降低。其中，0.1%濃度氧化石墨烯溶液在摩擦磨損試驗(yàn)中的摩擦系數(shù)最低，穩(wěn)定運(yùn)行階段，其摩擦系數(shù)由0.12增至0.23，相對(duì)于去離子水降低了約25.8%～61.3%，這表明0.1%濃度氧化石墨烯溶液具有良好的減摩作用效果。在摩擦磨損試驗(yàn)中，其摩擦系數(shù)隨著時(shí)間推移而呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，原因是磨損試驗(yàn)初期產(chǎn)生的鈮合金碎屑聚集在球-盤摩擦副之間，降低了氧化石墨烯納米片在球-盤摩擦副之間的作用效果。比較氧化石墨烯溶液和石墨烯溶液的摩擦作用結(jié)果，氧化石墨烯溶液的減摩潤(rùn)滑效果相對(duì)石墨烯溶液更好，原因是氧化石墨烯納米片在橫向尺寸上比石墨烯納米片小約一個(gè)數(shù)量級(jí)，更容易進(jìn)入硬質(zhì)合金微球-鈮合金盤的摩擦副區(qū)域，并產(chǎn)生減摩潤(rùn)滑作用效果。因此，調(diào)控二維納米材料的尺寸和濃度對(duì)于改善水基切削液的摩擦學(xué)作用都有著重要影響。

3 切削加工試驗(yàn)

為了研究?jī)?yōu)化后的二維納米材料改性水基切削液切削加工鈮合金材料的作用效果，開展了不同切削液的切削加工試驗(yàn)，試驗(yàn)選用單點(diǎn)金剛石車床。切削液采用去離子水及優(yōu)化后的二維納米材料改性水基切削液(0.1%濃度氧化石墨烯水溶液)。選用Taylor Surf CCI白光形貌干涉儀測(cè)量表面粗糙度。

在超精密切削加工鈮合金材料樣品試驗(yàn)中，選擇CBN刀具，其前角和后角分別為0°和7°，刀尖圓弧半徑為0.4mm。切削加工試驗(yàn)主要目的是考核不同切削液的作用效果，因此，兩組試驗(yàn)的切削工藝參數(shù)相同，主軸轉(zhuǎn)速為100r/min，進(jìn)給量為0.005mm/r，切削深度為0.005mm。

1號(hào)樣品采用去離子水，2號(hào)樣品采用二維納米材料改性水基切削液。兩組不同切削液加工后的鈮合金樣品見圖3，可以直接觀察到2號(hào)樣品表面有銀白色金屬光澤，而1號(hào)樣品表面有明顯的彩色反光條紋，2號(hào)樣品的表面質(zhì)量較1號(hào)樣品更優(yōu)。

圖3 不同切削液加工樣品

兩組樣品的光學(xué)顯微鏡圖和表面粗糙度測(cè)量結(jié)果見圖4。基于前期的研究成果發(fā)現(xiàn)，表面粗糙度值與切削速度密切相關(guān)，隨著切削速度的降低，表面粗糙度值逐漸增大[4]。加工圓形樣片端面時(shí)，在保持主軸轉(zhuǎn)速恒定的情況下，切削速度由外向內(nèi)逐漸減小。為了降低切削工藝參數(shù)變化對(duì)表面粗糙度測(cè)量結(jié)果的影響，選擇在1號(hào)樣品和2號(hào)樣品靠近邊緣5mm位置進(jìn)行表面粗糙度測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明，1號(hào)樣品的表面粗糙度值約為209.3nm，2號(hào)樣品的表面粗糙度值約為36.4nm，通過比較發(fā)現(xiàn)，二維納米材料改性水基切削液可以顯著提升鈮合金材料切削加工的表面質(zhì)量，降低加工表面粗糙度。其原因是，單原子層厚度的氧化石墨烯納米片可作為保護(hù)層作用于刀-工摩擦副區(qū)域，顯著改善刀-工摩擦作用機(jī)制，提升了切削液的減摩潤(rùn)滑性能，從而提升切削加工表面質(zhì)量。

圖4 不同切削液加工樣品表面粗糙度表征

4 有限元仿真分析

為了進(jìn)一步研究不同摩擦系數(shù)對(duì)切削加工過程的影響，利用AdvantEdge軟件進(jìn)行了鈮合金切削加工過程的有限元仿真分析。選擇CBN刀具，其前角為0°，后角為11°，切削刃口半徑為0.01mm，切削速度為100m/min，進(jìn)給量為0.1mm/r，切削深度為0.01mm，切削液熱傳導(dǎo)系數(shù)為9000.0W/(m·K)，切削液射流速度為10m/s。基于前文摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)摩擦系數(shù)設(shè)定三組試驗(yàn)變量(0.1，0.3，0.5)，分別代表了良好潤(rùn)滑、一般潤(rùn)滑和無(wú)潤(rùn)滑的工況。

不同摩擦系數(shù)工況下的最高切削溫度仿真結(jié)果見圖5。結(jié)果表明，隨著摩擦系數(shù)從0.1增至0.5，刀具-工件-切削液體系的最高切削溫度顯著升高，增加約20.1%，原因是第二變形區(qū)中刀具前刀面與切屑的摩擦熱顯著增加。不同摩擦系數(shù)切削加工工況下的切削應(yīng)力仿真結(jié)果見圖6，結(jié)果表明，隨著摩擦系數(shù)從0.1增至0.5，工件已加工表面的應(yīng)力逐漸增大。

(a)μ=0.1

(a)μ=0.1

上述結(jié)果表明，在良好潤(rùn)滑的工況下，刀具磨損速度減緩，從而確保工件已加工表面的質(zhì)量。因此，調(diào)控刀具-工件-切削液的摩擦系數(shù)對(duì)提升鈮合金材料切削加工表面質(zhì)量具有重要的意義。

5 結(jié)語(yǔ)

通過研究二維納米材料改性水基切削液在鈮合金材料切削加工中的應(yīng)用。結(jié)果表明，可以有效提升鈮合金材料零部件切削加工的表面質(zhì)量。

通過開展不同工況下球-盤摩擦副的摩擦磨損試驗(yàn)，得到優(yōu)化的二維納米材料改性水基切削液類型，0.1%GO質(zhì)量分?jǐn)?shù)的水基切削液具有優(yōu)異的減摩潤(rùn)滑效果，相比去離子水，其摩擦系數(shù)降低了25.8%，而在磨損試驗(yàn)初期降低高達(dá)61.3%；在相同的切削工藝參數(shù)下，鈮合金材料樣品在去離子水切削加工后的表面粗糙度約為200nm，0.1%氧化石墨烯水溶液切削加工后表面粗糙度約為40nm，表面質(zhì)量提升了約80%；切削加工過程的有限元仿真分析表明，降低摩擦系數(shù)有助于降低切削溫度，提升切削加工表面質(zhì)量。