聚酰亚胺的冷风微量润滑辅助切削工艺

多孔聚酰亚胺含油材料不仅具有良好的机械性能、耐宽温域性、优良的化学稳定性和摩擦磨损性能，而且具备较好的自润滑和存油性能，因此广泛应用于航天卫星、武器装备和微电子等领域的润滑系统.保持架作为卫星轴承组件的关键结构件及重要储油件，在保障卫星轴承组件长寿命、高精度工作中起着重要作用.在轴承转速、载荷及温度等外界条件一定时，多孔聚酰亚胺保持架内部润滑油在热力及离心力的作用下，不断从微孔流道输送至摩擦表面，建立出油率与吸油率相等的动态平衡，形成稳定油膜，降低摩擦因数并保证长时间的稳定润滑.然而，多孔材料在切削加工过程中的局部高温易导致多孔材料的局部熔融与结构塌陷，引起内部微流道的阻塞及表面微裂纹的产生，更为严重的是产生的微小切屑发生黏结，进而造成多孔材料内部流道的二次阻塞，极大地降低保持架的含油和输油性能.因此，解决切削加工中因局部高温导致的流道阻塞现象，实现多孔含油材料的低损伤加工势在必行.

冷风微量润滑(Cryogenic Minimal Quantity Lubrication, CMQL)技术是一种将微量润滑与低温技术相结合的绿色辅助切削技术.在切削加工过程中，该技术利用喷冷系统将-10～-40 ℃ 的低温气体混入微量润滑剂，将气雾吹送至加工区域，代替切削液实现对工件、刀具、切屑的高效降温和润滑.CMQL具有切削液用量少、切削温度低、防止切屑黏结、延长刀具寿命、提高加工表面质量等优点.CMQL切削时，高压高速的低温介质可以对工件表面进行急速强力冷却，一方面可以有效降低加工区域的温度，避免多孔聚合物材料产生熔融黏结，提高表面加工质量；另一方面可以及时带走切屑，防止碎屑对孔道的阻塞.可见，采用CMQL辅助切削是实现多孔聚酰亚胺材料低损伤加工的有效途径.

对于聚酰亚胺等聚合物材料，传统加工过程中存在切削力大、加工效率低、加工表面质量差等问题，难以满足精密加工要求.此外，工程塑料的特性在实际加工中较易被水溶性切削液破坏，因此一般较少采用传统浇筑式切削液进行冷却润滑，这极大地降低了加工精度及刀具寿命.近年来，国内外学者对聚合物材料加工开展了相关的理论与实验研究.切削参数方面，通过纤维增强聚合物材料在不同切削参数下的端铣实验，发现进给量是影响材料切削性能的主要因素，而在低温冷却辅助条件下，加工参数对表面粗糙度的影响顺序由大到小为切削深度、切削速度、冷却温度、进给量和液氮流速，确定最佳切削参数为切削速度100 m/min、切削深度1.5 mm、纤维取向40°.材料切削性能方面，通过低温冷却辅助条件下的纤维增强复合材料研究，发现低温冷却条件比传统加工对已加工表面粗糙度有显著改进作用.此外，在低温冷风辅助条件下，刀具寿命提升显著，比室温条件下加工延长了45.6%，并且材料表面加工质量也得到改善，表明CMQL技术对聚酰亚胺等复合材料的切削加工有一定优势.通过低温冷风条件的聚酰胺复合材料切削加工机理研究得知，低温冷风会引起复合材料的拉伸和挤压强度增加，导致材料脆性增加，且多孔含油材料的摩擦因数与供油量和润滑油黏度有关，当速度增加到0.15 m/s时，润滑状态由边界润滑变为混合润滑，摩擦因数开始降低.除切削加工外，通过特殊的加工方式，包括高压喷射加工、激光和电火花加工也可以提高聚合物材料的加工性能.综上，目前对聚合物材料加工的研究主要集中在材料的切削性能及切削机理等方面，已经证明了冷风微量润滑技术可有效减少聚酰亚胺复合材料加工时的刀具磨损，改善已加工表面的表面质量，而关于多孔高分子材料切削加工后内部多孔流道阻塞情况的报道较少.

本文以多孔聚酰亚胺为研究对象，开展了不同冷却润滑方式(介质材料、介质温度)铣削多孔聚酰亚胺后的对比实验，确定了CMQL加工多孔含油材料的优势及可实施性，并进一步通过正交实验，分析了CMQL低损伤加工机理及特征变化规律，得到多孔聚酰亚胺含油材料在冷风微量润滑条件下的最佳工艺参数.

民办高校通过多年的发展，已成为我国高等教育的重要组成部分，民办高校以培养应用型人才为目的，实验教学对民办高校的教育与发展尤为重要。实验室作为民办高校教学和科研的重要基地，是培养学生动手操作能力和创新能力的重要环节，实验室的建设和管理关系到人才培养质量的提高，所以，民办高校的实验室建设和实验教学改革是十分必要的。

1 多孔聚酰亚胺的冷风微量润滑切削加工实验设计

1.1 工件及刀具

本研究选用的工件材料是由洛阳轴承研究所提供的7002-SW型多孔聚酰亚胺保持架毛坯，毛坯外径=74 mm，内径=58 mm，宽=38 mm，如图1(a)所示.具体成型工艺步骤见文献[23].

图7所示为9组铣削参数下的切削合力数据，使用极差分析法对切削合力进行分析.其中～为切削合力在三水平下均值的极差值(A～C分别为、、，下同)，计算得到=3.96 N，=10.48 N，=13.95 N，即三因素对切削合力影响的由主到次顺序为>>.其中对铣削合力的影响较小，实际加工中为提高加工效率，可以在合理的范围内选择较大值.根据切削力确定最佳切削水平组合为=100 m/min，=0.4 mm/r，=0.5 mm.

在洋葱幼苗生长达到一定高度之后，洋葱的鳞茎便会开始膨大。在这个时期农户需要进行一周左右的蹲苗。完成蹲苗后，洋葱进入鳞茎膨大期，在这个时期洋葱的营养物质将会更多的向叶片基部输送，并且对于水分的需求量也会不断增加。这是应该逐渐增加浇水的此处，使土壤经常保持湿润的状态。在洋葱鳞茎进阶成熟期的时候，其叶部与根系的生理机能将逐渐降低，这时应果断停止灌水。

No adverse event was found for the 148 participants included in the present study.

由于工程塑料弹性模量低，受刀具挤压力发生的弹性变形显著，导热性和耐热性差，易造成刀具磨损，所以应选用锋利、导热性好的刀具，这样利于切削和排屑.实验刀具采用三菱整体硬质合金4刃MSTAR圆弧头型立铣刀，型号为MMS4MRB，涂层为单层致密Ti-Al-N，铣刀螺旋角30°～40°，刀具的结构参数与实物见图1(b).其切削直径=8 mm，刀尖半径=0.5 mm，最大切削深度=19 mm，刀具功能长度=60 mm，并且连接直径=8 mm,刀杆的加工精度等级为h6.表1为多孔聚酰亚胺毛坯及铣刀的热力物理性能参数.

1.2 冷风微量润滑平台的搭建

本实验构建的冷风微量润滑辅助加工平台见图2(a)，该平台由气源供给系统、射流制冷系统、润滑油供给系统3部分组成.采用SUNAIR PMPM15-S连续喷雾设备，如图2(b)所示.首先气源供给系统供应稳定的高压气体(0.4～0.8 MPa)，一部分气体输送至射流制冷系统，形成高压冷气流经喷嘴射出，喷射雾化面积可通过喷嘴位置和角度调整；另一部分气流经过脉冲频率调节装置，带动微量润滑油流动至涡流管冷却枪射出，润滑油耗油量由脉冲频率调节器和油量调节器控制.最后低温高压油雾通过冷风枪喷射至切削区域.设备工作参数见表2.润滑剂采用UNIST Coolube2210天然植物润滑油.

1.3 实验装置

CMQL铣削实验在DOOSAN DNM515数控加工中心上进行；采用KISTLER 9257B测力仪和数据分析软件Dyno-Ware对切削力信号采集和分析；采用SMART SENSOR ST9450红外热影像仪测量切削温度；采用Easson-EV2515影像仪和配套的Easson 2D光学视觉量测软件对切屑形貌进行观测和分析；采用ALICONA Infinite-Focus G4轮廓扫描仪测量工件表面粗糙度；采用HITACHI S-3400N扫描电镜观测材料表面孔道堵塞情况.实验装置如图3所示.

选用彩色多普勒诊断仪，探头频率选择6～18MHZ的高频探头，选用骨骼肌肉条件，采用二维及能量多普勒条件；进行踝部与足背部检查时，患者呈仰卧位，屈膝使足部平贴于检查床，进行前侧、内侧、外侧检查，进行足跟部检查时，患者呈俯卧位，使足部悬在检查床外，所有关节检查均采取双侧对照检查，重点检查第一跖趾关节[2]。

保持架表面粗糙度的大小会影响保持架与滚子的兜孔间隙，进而改变保持架质心轨迹和滚子与保持架的接触应力.当粗糙度增大时，保持架与滚子和引导套圈间的摩擦力增大，保持架的公转速度降低，致使保持架打滑率增大，保持架的稳定性降低.

=(-)

(1)

=(-)

(2)

式中：为样件干重；为样件初始含油质量；为样件甩油后质量.

实验仪器为良平FA2004电子天平及安亭TGL-15B高速离心机.

2 不同润滑条件下的多孔材料切削性能对比

2.1 实验方案

开展CMQL、低温冷风(不加冷却液)、干切削等3种润滑方式的面铣对比实验(见表3)，每组条件开展3次实验，测量切削温度、工件表面粗糙度和微观形貌，取测量结果平均值作为参考，研究CMQL辅助加工条件下的冷却和润滑特性，其中冷风微量润滑切削条件下的喷油量为0.06 L/h.实验选用的切削参数根据热塑性塑料的铣削用量推荐表确定，并保证其在刀具供应商提供的参数范围内(下同).

试验材料分别为转G10-EPSPS基因抗草甘膦大豆SHZD32-01以及该转化体的受体材料中豆32、黄淮海地区主栽品种皖豆28。其中中豆32和皖豆28为生产上大面积使用的非转基因大豆，SHZD32-01是上海交通大学曹越平教授课题组以浙江大学沈志成教授课题组提供的G10-EPSPS基因为靶基因，以中豆32为受体转化得到的草甘膦抗性较强的转基因株系。

2.2 实验结果分析

图4所示为3种润滑方式下的工件切削温度对比图.数据显示干切削的切削温度最高(19.4 ℃)；低温冷风的切削温度次之(9.1 ℃，减少53%)；CMQL的切削温度最小(5.6 ℃，减少71%).由于高分子塑料导热性差，大量切削热堆积在切削区域，而高速高压的低温气流喷射至切削区域，可以带走大量切削热，所以低温冷风和CMQL切削均可以显著降低切削温度.另外，CMQL包含的微量润滑油在切削区域发生汽化，由液相转变为气相的过程会吸收一部分热量，使得CMQL切削表现出最佳的冷却润滑结果.

（4）请综合分析，水稻开花后至成熟期间，磷酸化酶相对活性发生变化的原因可能是______________。

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切屑形态可以反映出不同切削参数及冷却条件下的材料切削性能和已加工表面质量.图9所示为影像仪测绘的9组切屑形态，切屑类型为带状卷曲切屑，基本形状为带状长条，内表面光滑，外表面粗糙并有明显刀痕，带状边缘产生不同程度撕裂的毛边.将9组切屑简化为圆柱体进行体积比较：最小组为第1组(0.481 mm)，第6组(0.542 mm)次之，最大组为第9组(4.294 mm).

图6所示为3种润滑方式下已加工表面形貌(放大 2 000 倍和500倍).图6(a)显示材料表面呈铺叠状，片状组织将孔道基本覆盖，仅有少量多孔流道(1、2、3区域)暴露.大量微小切屑依附在片状组织两侧，对多孔结构产生堵塞.多孔流道内部呈孔径小且疏松的状态.图6(b)中的多孔流道(1、2区域)主要分布在中间位置，左侧为已压实的片状组织，右侧存在明显刀痕.残留的微小切屑多附着在片状组织上，在多孔区域分布较少.放大 2 000 倍图显示材料表面发生拉丝现象，多孔流道特点为直径大、密度高，有利于润滑油的储存.图6(c)显示工件表面的少量微小切屑与片状组织交织，存在工件拉丝现象，多孔流道(1、2区域)呈直径大、分布广及内部连通的特点.将工件表面形貌横向对比发现：干切削的多孔流道最少，低温冷风切削次之，CMQL切削得到的多孔流道数最多.

综上，与干切削和低温冷风切削相比，CMQL切削具有最低的切削温度和表面粗糙度，同时保证最多的表面微孔流道数，说明CMQL对于多孔材料切削的低损伤加工具有一定优势.

3 多孔材料的CMQL切削加工实验研究

3.1 实验方案

利用CMQL开展正交实验(见表4)，进一步探究铣削参数对切削力、切屑、加工表面质量及含油率的影响，优化切削加工工艺.为了尽量包含最优参数，预先选定较大的水平范围.

3.2 切削力

多孔聚酰亚胺保持架主动供油的关键部分在于保持架与滚动体接触的兜孔处，兜孔间隙的尺寸精度会影响保持架的含油及输油能力，而保持架兜孔处的加工为铣削加工，故本文采用铣削加工开展实验.

3.3 表面粗糙度

测试含油率前对已加工样件称重，记录原始质量.然后将全部样件放置润滑油(AeroShell Fluid 41)中浸油24 h，保证样件将润滑油吸收饱和，记录初始含油质量.完成浸油后使用离心机在室温下按照 3 000 r/min工况进行5 min甩油.甩油后使用电容器纸将样件表面润滑油擦拭干净，记录结束含油质量.含油率和输油率定义如下：

3.4 切屑形态

图5所示为5种润滑方式下的已加工表面粗糙度()，结果表明干切削下的最大(2.318 μm)，低温冷风的次之(1.342 μm，减小42%)，CMQL的最低(0.916 μm，减少60%).分析认为在干切削过程中，刀具与工件和切屑的摩擦面无任何冷却润滑条件，工件表面被刀具挤压时，接触面的摩擦力增大，表面粗糙度增大；CMQL的低温气流会降低切削区域温度，聚酰亚胺塑性随之降低，刀具可以轻易撕裂表面材料，减小表面粗糙度.

切屑表面平整度可反映出加工过程中工件表面损伤情况，严重的切屑撕裂会造成材料表面微孔流道发生形变甚至塌陷.另外，稳定的切屑带宽可以提高铣削加工的稳定性，保证材料表面微孔流道的均布，提高工件整体含油及输油性能.因此，切屑表面平整度和带宽稳定度成为评价切屑形态的关键指标.从切屑外表面平整度考虑，第3组与第9组的切屑表面撕裂效果最为严重，表面平整度低，与之带来的是这两组的表面粗糙度在9组实验中也是最高的，第1、4、6组的切屑外表面较为平整，无明显撕裂等加工缺陷.从切屑带宽稳定度分析，第5组的切屑带宽变化较大，稳定度最低；第1组与第2组的切屑带宽波动最小，螺卷较稳.为获得较为良好的切屑形态对切削参数的优组合进行选择为=75 m/min，=0.1 mm/r，=0.5 mm.

放大1 000倍的9组已加工表面微观形貌如图10所示.可以看出，第3组存在工件拉丝、第5组存在明显刀痕、第6组存在表面微裂纹，第7组存在严重的微孔流道堵塞，9组实验的工件表面均存在切屑附着，其中第4、5组的切屑体积较大.第3组的表面微孔流道数目最多，润滑油可以良好被吸入工件材料完成主动供油任务；第7组的表面为微孔流道数目最少，其原因除去大量切屑堵塞，还有工件外部切削层被刀具挤压过后导致塑性变形，进而沿刀具进给方向将孔道覆盖.综上，针对切削参数的优组合进行选择为=75 m/min，=0.4 mm/r，=1.5 mm.

3.5 微观形貌

2.3.3 洗脱液用量的选择 随着洗脱液用量增加，大孔吸附树脂对总黄酮解吸率不断增加。当洗脱液用量为5 BV时，大孔吸附树脂解吸率为69.8%；洗脱液用量继续增大到6 BV时，大孔吸附树脂的解吸率为70.1%，与洗脱液用量为5 BV时的解吸率相比，仅增加了0.3%，这说明洗脱液用量超过5 BV时，大孔吸附树脂随洗脱液用量的增加解吸率变化很小。所以确定5 BV为洗脱液最佳用量(图6)。

3.6 含油率

多孔保持架作为轴承高速工作过程中的油库，其润滑油储存性能对轴承长时工作稳定性及工作寿命有非常大的影响.对多孔保持架浸油、甩油工艺研究的目的是将润滑剂储存到多孔材料内部的微孔结构之中，研究多孔保持架的含油率及输油率.图11所示为9组样件浸油、离心后的含油率及输油率情况.可以看出含油率与输油率有相似的变化趋势，其中含油率及输油率最低的为第7组(9.22%、7.21%)，其原因为第7组的微观形貌发生大面积流道堵塞现象，润滑油无法良好地浸入聚酰亚胺微孔流道内部，难以提供足量润滑油形成润滑膜.含油率及输油率最高的为第9组(18.37%、9.94%)，配合第9组的微观形貌分析，虽然其表面存在微小碎屑，但工作的多孔流道体积仍是最大的.

一方面，尽管东昌区政府高度重视并采取一系列卓有成效的措施支持葫芦文化产业的发展，却没有深刻认识到葫芦文化在乡村旅游中的发展地位，没有充分抓住山东省全面开发乡村旅游的良好机遇，利用本地丰富的葫芦文化旅游资源，大力发展极具地域特色的乡村旅游。另一方面，社区居民对种植、加工葫芦的收入较为满意，且因文化层次较低，缺少乡村旅游开发经验，从而对开发葫芦文化旅游缺乏足够的信心和热情。

为更好地满足空间长寿命轴承用多孔含油材料的低缺陷、稳定含油、高精度的迫切制造需求，针对多孔聚酰亚胺精密加工过程中输油表面结构易阻塞的难点，综合考虑各参数下的工件切削性能及各自占比(见表6).其中含油功能和输油功能是轴承保持架最重要的功能，因此含油率的占比最大(40%)；

其次，表面粗糙度会影响轴承保持架的兜孔间隙，因此表面粗糙度的占比第二(30%)；切削力、切屑形态、微观形貌对轴承保持架性能有一定影响，但小于前两个指标，因此各占10%.考虑实际加工环境与实验环境不完全一致、机床误差、刀具磨损等因素，将实验确定的最优加工参数上下波动5%～10%，取整数部分得最优加工参数：=(85±5)mm/min，=(0.28±0.02)mm/r，=(0.8±0.1)mm.

4 结论

(1)干切削、低温冷风切削及冷风微量润滑切削的切削温度以及已加工表面的粗糙度分别为19.4、9.1、5.6 ℃和2.318、1.342、0.916 μm.相较于干切削与低温冷风切削，CMQL切削的切削温度分别降低了71%和38%，已加工表面粗糙度分别降低了60%和32%，工件表面附着的微小切屑最少，多孔流道损伤小并呈直径大、分布广的特点.可见，CMQL对于实现多孔聚合物材料低损伤加工行之有效.

(2)切屑形态为带状螺卷切屑，切屑表面平整度和带宽稳定度是影响加工表面质量的关键因素，切屑毛边、撕裂等缺陷是表面粗糙度增大的主要原因.工件已加工表面存在的材料拉丝、表面微裂纹、材料堆叠及微小切屑附着等缺陷，对多孔流道产生二次堵塞，降低材料含油率及输油率.

(3)表面粗糙度受影响显著，而对不敏感，其中切削层塑性变形增大是导致粗糙度随增大呈先减小后增大变化的根本原因，提高至临界值(1 mm)以上有助于降低表面粗糙度.对切削力影响最大，提高可以在切削力增长较小的情况下提高加工效率.

(4)将高含油率作为最佳铣削参数的首要选择指标，综合考虑不同指标对应的铣削参数优组合，得到多孔聚酰亚胺含油材料在冷风微量润滑条件下的最优加工参数为=(85±5)mm/min，=(0.28±0.02)mm/r，=(0.8±0.1)mm.