基于納米顆粒潤滑的單點金剛石刀具磨損抑制技術

墨洪磊，鄭家洛，蘭 潔，陳 肖，許劍鋒

（1.上海航天控制技術研究所,上海201109;2.華中科技大學機械科學與工程學院,武漢430074）

0 引言

隨著現代尖端技術、高新科技以及紅外光學技術地不斷發展,單晶硅、鍺以及各種光學玻璃等脆性材料被廣泛應用于航空航天、紅外探測、武器裝備等領域中。針對這些具有優良性能的脆性材料,其超精密加工技術成為人們日益關注的焦點。由于紅外透過率良好、折射率高、色散好,單晶硅已成為目前最重要的紅外光學材料之一,被廣泛用于高質量制冷軍用紅外光學系統。單晶硅還具有化學性質穩定、導熱性好、材料均勻性好、熔點高等性質,因此可作為標準測量器具、強激光反射鏡的襯底鏡、紅外光學成像鏡、深空物質運動軌跡捕捉成像鏡、紅外探測器、高速反導導彈頭罩襯底、防空導彈導引頭光學鏡片等及其他紅外光學設備的窗口材料[1-2]。

目前,單晶硅材料的光學元件大多都是通過金剛石磨削、研磨、拋光得到的,這種工藝雖然可以得到很好的表面質量,但是加工效率低,并且生產成本非常高。相較于磨削、研磨、拋光,車削的材料去除速率高得多,同時也可以加工前者加工不了的復雜形狀表面以及微結構。但是由于切削單晶硅的過程中,單點金剛石刀具磨損劇烈,嚴重影響了單晶硅光學零件的加工精度。諸多研究者通過研究表明,單點金剛石刀具切削單晶硅時刀具磨損的類型主要是后刀面溝槽磨損[3-6]。切削過程中,傳統的潤滑主要通過切削液本身來實現,切削液在刀具和工件之間形成了液體潤滑薄膜。但是,液體薄膜在刀具高壓接觸下非常容易破裂,所以切削液并不能有效降低切削單晶硅時刀具的磨損。將液體潤滑薄膜替換成固體潤滑薄膜,增強潤滑薄膜的強度,增強潤滑效果并降低摩擦是一種降低刀具磨損的可行方法。一些學者已經驗證了固體薄膜潤滑的可行性,Rao等[7]在切削鋼時使用50μm硼酸顆粒進行固體潤滑,取得了很好的加工效果。Reddy等[8]使用2μm粒徑石墨和二硫化鉬顆粒在銑削鋼時進行潤滑,能夠降低銑削力并提高加工表面質量。Yan等[9]將納米尺寸的銅、石墨、二硫化鉬、氧化銅顆粒與潤滑脂混合后用于碳化硅切削,研究表明此方法能夠降低切削力和刀具磨損,能夠提高加工表面質量。國內外還有其他學者對單點金剛石車削單晶硅等硬脆材料過程刀具磨損及抑制技術開展了研究,并取得了一定的成果[10-14]。

本文開展了納米顆粒潤滑及超聲振動輔助切削單晶硅技術研究,分析了納米顆粒的類型和質量分數以及超聲振動輔助切削對單晶硅超精密切削表面質量和刀具磨損的影響,提出了抑制金剛石刀具磨損的方法,極大地提高了金剛石刀具的使用壽命,降低了生產成本,提高了加工表面質量。

1 實驗條件

分別選擇二硫化鉬、石墨、銅、氧化銅納米顆粒,按照表1中的參數配制納米潤滑劑,四種納米顆粒形貌如圖1所示。切削實驗在阿美泰克Precitech Nanoform X四軸超精密機床上進行,實驗裝置如圖2所示,實驗所采用的加工參數如表2所示。機床使用的刀具為單點金剛石刀具,其刀尖圓弧半徑為5mm,前角為－25°,后角為10°；加工樣件為平面樣件,其直徑為Φ25.4mm,厚度為4mm；采用Zygo白光干涉儀對實驗結果進行測量。

表1 納米顆粒質量分數Table 1 List of nanoparticle mass fraction

圖1 納米顆粒形貌Fig.1 Diagram of nanoparticle morphology

圖2 納米顆粒潤滑切削實驗裝置Fig.2 Diagram of nanoparticle lubrication cutting experiment device

表2 實驗參數Table 2 List of experiment parameters

2 實驗結果與分析

2.1 不同質量分數納米顆粒對加工表面質量及刀具磨損的影響

不同質量分數納米顆粒對加工表面質量及刀具磨損的影響結果如圖3所示。由圖3可知,在使用納米顆粒潤滑時,加工表面質量得到提升。隨著納米顆粒質量分數的提高,加工表面的質量越來越好。在使用質量分數為10%石墨納米顆粒時的加工表面質量最好,局部表面粗糙度Ra達到1.353nm,Rz達到5.883nm。

圖3 質量分數對粗糙度的影響曲線Fig.3 Influence curves of mass fraction on roughness

圖4為不同納米顆粒潤滑下切削168.9m后刀具磨損的掃描電鏡圖。在一次切削過后,刀具的磨損量非常微小,只有前刀面存在很微小的坑狀磨損,而后刀面磨損太小不能清楚表征。從定性分析可以得到,隨著納米顆粒質量分數的增加,刀具磨損量越來越小,這和加工表面質量規律是一致的。

圖4 不同納米顆粒潤滑刀具磨損圖(5000倍放大)Fig.4 Tool wear diagram of different nanoparticle lubrication(5000 times magnification)

2.2 超聲振動輔助切削刀具磨損

圖5為在超聲振動輔助下切削182.8m之后刀具的磨損情況。由圖5（a）可知,刀具磨損非常劇烈,并伴隨大的崩刃,磨損帶高度達到了34.5μm。由圖5（b）可知,相比未使用納米顆粒潤滑,刀具的磨損量要小,且沒有崩刃現象,磨損帶高度為18.5μm。納米顆粒潤滑下的刀具磨損要比無納米顆粒潤滑時小得多,但即使在納米顆粒潤滑下,超聲振動輔助切削硅時的刀具磨損量仍不能被接受,且超聲振動輔助切削下的加工表面質量比普通切削時差。

圖5 超聲振動輔助切削下的刀具磨損情況(1500倍放大)Fig.5 Diagram of tool wear under ultrasonic vibration assisted cutting(1500 times magnification)

分析其原因,主要為:首先,在超聲振動輔助切削單晶硅時,由于刀具高頻率振動,單晶硅硬度高,刀具不斷與材料進行碰撞,這是刀具發生崩刃的原因；其次,由于切削后的材料會發生膨脹以及恢復,刀具在與材料分離的過程中會與已加工表面進行機械摩擦,刀具實際加工的距離等于刀具振動的總距離加上切削距離,刀具和工件實際接觸距離比普通切削時大,從而造成超聲振動輔助切削單晶硅時刀具后刀面磨損更嚴重。而納米顆粒潤滑可以在刀具和工件之間形成固體納米薄膜,能有效降低摩擦,從而抑制刀具的磨損。因此,納米顆粒潤滑下刀具磨損量較小。

2.3 納米顆粒潤滑下長距離切削實驗

在進給速度為6mm/min、切深為1μm、主軸轉速為3000r/min、質量分數為10%的納米石墨顆粒潤滑工藝參數下進行長距離切削,樣件尺寸為Φ25.4mm,切削距離為5.067km。分別進行了三組實驗,其實驗結果如圖6所示。

圖6 切削距離5.067km之后的加工表面粗糙度及刀具磨損情況Fig.6 Diagram of surface roughness and tool wear after 5.067km cutting distance

由圖6可知,三組實驗中零件的表面粗糙度分別為19.398nm、23.875nm、24.174nm,刀具磨損帶高度分別為 4.71μm、 4.85μm、 5.03μm。 實驗研究表明,采用石墨納米顆粒作為潤滑劑有助于減小單點金剛石刀具的磨損,提升刀具的使用壽命,保證加工后零件的表面質量,也進一步驗證了本文提出的采用石墨納米顆粒作為超精密車削潤滑劑方案的可行性。

2.4 討論

納米顆粒潤滑作用的原理為:納米顆粒在刀具的擠壓下發生變形甚至破裂,在刀具和工件之間形成一層極薄的固體薄膜,避免了刀具和加工表面直接粗暴的接觸,其原理如圖7所示。影響潤滑效果的因素為納米顆粒的尺寸、質量分數以及納米顆粒本身的性質。納米顆粒的尺寸越小,其越容易進入切削區域；而質量分數越大,在相同條件下進入切削區域的納米顆粒數量越多。不同類型納米顆粒自身的性質是不同的,納米石墨顆粒潤滑效果最好的原因就是由它的性質決定的。納米石墨顆粒的硬度是四種納米顆粒中最小的,最容易發生變形,并且納米石墨顆粒本身的潤滑效果也是四種納米顆粒中最好的。

圖7 納米顆粒潤滑作用原理Fig.7 Principle of nanoparticle lubrication

超聲振動輔助切削雖然能促進納米顆粒進入切削區域、增強納米顆粒潤滑效果,但是由于超聲振動輔助切削的切削特性,其并不能抑制刀具的磨損。這是由于在超聲振動輔助切削硅時,由于刀具高頻率沿著切削方向振動,使得刀具不斷與硅未切削表面進行碰撞,并且不斷與已加工表面進行來回機械摩擦。納米顆粒潤滑時,刀具磨損量更小的原因為:由于刀具和工件之間形成的固體納米薄膜可以有效降低摩擦,從而降低了刀具的磨損。

3 結論

本文針對單晶硅光學零件在精密車削過程中存在刀具易磨損、刀具使用壽命短、加工后零件表面質量差等問題,選取二硫化鉬、石墨、銅、氧化銅等四種納米顆粒作為潤滑介質,開展了基于納米顆粒潤滑的刀具磨損抑制技術研究,得出以下結論:

1）單點金剛石切削單晶硅材料時,通過采用納米顆粒潤滑可有效減小單點金剛石刀具的磨損,同時可提高加工后材料的表面質量。在所研究的四種不同類型、不同質量分數納米顆粒潤滑脂中,含10%納米石墨顆粒的潤滑脂使用效果最好,得到的加工表面質量最好,刀具磨損最低。

2）超聲振動輔助切削單晶硅時,刀具磨損非常嚴重。通過耦合納米顆粒潤滑以及降低切削速度,刀具的磨損降低了,但磨損程度仍然非常嚴重。實驗結果表明,超聲振動輔助切削不適合單晶硅這類硬脆材料的超精密切削加工。