（机械制造及其自动化专业论文）基于表面微织构刀具的钛合金绿色切削冷却润滑技术研究.pdf

南京航空航天大学博士学位论文 摘要 刀具快速磨损依然是制约难加工材料高速高效加工的关键问题，在未彻底实现陶瓷和超硬 材料的高硬度和高韧性完美结合的情况下，利用刀具材料革新实现钛合金、高温合金等难a n t 材料切削速度进一步提高仍难有本质上的突破。目前钛合金切削加工刀具仍以硬质合金刀具为 主，通过改善刀工表面摩擦接触状态以降低切削力、切削温度和抑制刀具磨损是提高钛合金加 工效率的一种有效方式。当前仿生摩擦学的研究发现，高性能的表面织构可以实现良好的减摩、 抗黏附和提高耐磨性，这给刀工接触表面状态减摩带来了新的研究方向。为此，本文针对钛合 金切削摩擦磨损问题，对表面微织构刀具在钛合金切削加工中的应用进行了探索性研究。主要 研究工作包括： ( 1 ) 通过对传统常规表面刀具在冷却润滑条件下的切削试验，研究了干切削、低温冷风、 m q l 、低温m q l 以及静电环境对钛合金高速切削摩擦状况以及刀具磨损的影响，并结合切削 物理仿真试验，分析了冷却润滑介质在刀工副摩擦过程中的作用机理。 ( 2 ) 研究刀具表面微织构的设计与制造，利用有限元技术分析表面微坑厂傲沟槽织构参数对 刀具应力、变形的影响，以指导刀具表面微坑或微沟槽的设计。在此基础上，利用激光加工与 电解加工技术对刀具表面微织构进行加工，对比分析两种加工技术的优缺点，为刀具表面微织 构的加工提供依据。 ( 3 ) 进行硬质合金钛合金摩擦副的摩擦磨损试验，通过与传统光滑表面试样的对比，研究 了表面微织构的减摩性能，试验结果表明，微织构可以有效地降低摩擦副的摩擦因数，相对于 微坑深度，微坑直径对摩擦因数影响程度较大，而微沟槽的减摩效果优于微坑。 ( 4 ) 正交切削t c a 的试验结果表明，微坑与微沟槽类型的表面微织构均可以有效地降低硬 质合金切削钛合金时的切削力与切削温度，有限元仿真结果表明微沟槽的置入可以延长刀屑接 触长度，增大切削力的同时扩大了刀具表面热传导面积，降低了切削变形程度，从而降低切削 温度。通过对不同织构类型表面织构刀具切削钛合金时形成的切屑形貌的研究，分析了刀具表 面微沟槽对切屑变形的影响。 ( 5 ) 通过t c a 钛合金车削试验，分析了干切削、m q l 以及低温m q l 条件下表面微织构 硬质合金刀具在高速切削钛合金时的主要磨损形式和刀具耐用度。结果表明表面微织构刀具的 刀具寿命明显高于传统光滑无织构刀具，在干切削、m q l 和低温m q l 条件下，微沟槽织构刀 具分别降低刀具后刀面平均磨损5 0 、7 7 、1 2 3 。通过对表面微沟槽织构刀具的减摩抗粘 结机理以及磨损破损机理的分析，表面微沟槽织构的置入可以降低刀具的粘结磨损。微沟槽的 强度对沟槽破损有重要影响，在粘结撕裂和切屑冲击的作用下沟槽间的硬质合金会发生破损。 基于表面微织构刀具的钛合金绿色切削冷却润滑技术研究 关键词：钛合金，冷却润滑，表面微织构，微量润滑，减摩，有限元分析 南京航空航天大学博士学位论文 a b s t r a c t r a p i dw e a l - o ft h et o o li ss t i l lt h ek e yi s s u e sf o rl l i g hs p e e dm a c h i n i n g o fd i f f i c u l t - t o - c u tm a t e r i a l s i ti sd i 伍c u l tt of u l t h e re n h a l i c et h ec u t t i n gs p e e do fd i 伍c u l t - t o - c u tm a t e r i a l sb e f o r ep e r f e c t c o m b i n a t i o no fh i g hh a r d n e s sa n dt o u g h n e s so fc i r c u m s t a n c e sc e r a m i c sa n ds u p e r h a r dm a t e r i a l s c e m e n t e dc a r b i d ea r em a i n l yu s e df o rt i t a n i u ma l l o ya n di ti sa ne f f e c f i v ew a yt oi n c r e a s e 也e m a c h i n i n ge f f i c i e n c yo ft i t a n i u ma l l o yb yi m p r o v i n gf r i c t i o n a lc o n t a c ts t a t eo ft o o l | w o r k p i e c et o r e d u c ec u t t i n gf o r c e ，c u t t i n gt e m p e r a t u r ea n dt o o lw e a l - c u r r e n t l yb i o m i m e t i ct n b o l o g ys t u d ya r e f o u n dt h a th i g h - p e r f o r m a n c es u r f a c et e x t u r eh a st h ee f f e c t so fg o o da n t i f r i c t i o n ，a n t i - a d h e s i o na n d i m p r o v i n gt h ew e a l r e s i s t a n c e ，w h i c hg i v e san e wr e s e a r c hd i r e c t i o nt h a ts u r f a c et e x t u r ew i l lb e a p p l i e dt ot h es u r f a c eo fc u t t i n gt 0 0 1 i nt h i sp a p e r , a i m i n ga tf r i c t i o na n dw e a rp r o b l e m si nt h e p r o c e s s i n go ft i t a n i u ma l l o y , t h ee x p l o r a t o r yr e s e a r c hw a sc o n d u c t e do nt h ea p p l i c a t i o no fs u r f a c e m i c r o - t e x t u r e dc u t t i n gt o o lf o rt i t a n i u ma l l o y t h em a j o rw o r k sa l ei n c l u d e da sf o l l o w s ： ( 1 ) 1 1 1 ec u t t i n gt e s t sf o rt h et r a d i t i o n a lt o o l sw e r ec a r r i e do u tu n d e rt h ec o o l i n ga n dl u b r i c a t i n g c o n d i t i o n s ，s u c ha sd r yc u t t i n g ，c o l da i r , m q l , c r y o g e n i cm q l ，s t a t i ce n v i r o n m e n t ，a n dt h ei n f l u e n c e o fc o o l i n g l u b r i c a t i n gm e d i u n lo nf r i c t i o ns t a t e sa n dt o o lw e a ro fh i 曲一s p e e dm a c h i n i n go ft i t a n i u m a l l o yw e r es t u d i e d c o m b i n e d 谢mc u t t i n gp h y s i c a ls i m u l a t i o ne x p e r i m e n t ，t h ea c t i o nm e c h a n i s mo f c o o l i n g l u b r i c a t i n gm e d i u mi nt h ef r i c t i o np r o c e s so ft o o l w o r k p i e c ef r i c t i o np a i rw a sa n a l y z e d ( 2 ) t h ed e s i g na n dm a n u f a c m l i n gt e c h n o l o g yo ft h et o o ls u r f a c em i c r o - t e x t u r ew a ss t u d i e d b y f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st h ei n f l u e n c eo fm i c r o - p i t g r o o v ep a r a m e t e r so nt h et o o ls i l r f a c es t r e s sa n d d e f o r m a t i o nw a sa n a l y z e d , w h i c hg u i d e dt h ed e s i g no ft h et o o ls u r f a c em i c r o - p i t g r o o v e n es u r f a c e m i c r o - t e x t u r e sw e r ep r o c e s s e du s i n gl a s e rm a c h i n i n ga n de l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n gt e c h n o l o g y , a n d a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h et w op r o c e s s i n gt e c h n i q u e sw e r ec o m p a r a t i v ea n a l y z e d , w h i c h p r o v i d e dar e f e r e n c ev a l u ef o rm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g yo f t h et o o ls u r f a c em i c r o - t e x t u r e 。 ( 3 ) f r i c t i o na n dw e a rt e s to ft i 6 灿4 v 厂w c ow c l ec a r r i e do u tb yc o m p a r i s o n1 i 廿lt r a d i t i o n a l s m o o t hs u r f a c e ，a n da n t i - f r i c t i o np r o p e r t i e so fm i c r o - t e x t u r e ds u r f a c ew e r es t u d i e d t e s tr e s u l t s s h o w e dt h a tm i c r o - t e x t u r ec o u l de f f e c t i v e l yr e d u c et h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n to ff r i c t i o np a i r 1 f 1 圮 i n f l u e n c eo fm i c r o - p i td i a m e t e ro nt h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tw a sg r e a t e rt h a nm i c r o - p i td e p t h ，a n d m i c r o - g r o o v eh a d b e t t e ra n t i - f r i c t i o ne f f e c tt h a nt h em i c r o - p i t ( 4 ) 1 1 l eo r t h o g o n a lc u t t i n gt e s t sw e r ec o n d u c t e df o rt h es u r f a c em i c r o t e x t u r e dc u t t i n gt o o l ，a n dt h e c u t t i n gf o r c e sa n dc u t t i n gt e m p e r a t u r e sw e r em e a s u r e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tb o t ht h em i c r o - p i t s a n dm i c r o g r o o v e sc o u l de f f e c t i v e l yr e d u c et h ec u t t i n gf o r c ea n dc u t t i n gt e m p e r a t u r eu n d e rl u b r i c a n t c o n d i t i o n , a n dt e x t u r et y p e sh a dag r e a t e ri m p a c to nt h ec u t t i n gp e r f o r m a c eo ft o o l s f i n i t ee l e m e n t m o d e lo fo r t h o g o n a lc u t t i n gt i t a n i u ma l l o yw i t hs u r f a c em i c r o - t e x t u r e dc u t t i n gt o o lw a sc r e a t e d , a n d s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h em i c r o g r o o v e sc o u l de x t e n dt h et o o l c h i pc o n t a c tl e n g t h , i n c r e a s e c u t t i n gf o r c ew h i l ew i d e nt h eh e a tt r a n s f e rs u r f a c ea r e ao ft h et o o l ，d e c r e a s et h ec u t t i n gd e f o r m a t i o n ， t h u sr e d u c et h ec u t t i n gt e m p e r a t u r e n l ec h i pm o r p h o l o g i e so ft i t a n i u ma l l o yw e r eo b s e r v e da n dt h e i m p a c to fm i c r o g r o o v e so nt h ec h i pf o r m a t i o nw a sa n a l y z e d ( 5 ) t a m i n gt e s t sw i t hs u r f a c em i c r o - t e x t u r e dc u t t i n gt o o lw e r ec a r r i e do u ta n dt h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h es u r f a c em i c r o - g r o o v e dc u t t i n gt o o lh a dh i g h e rt o o ll i f et h a nt h et r a d i t i o n a ls m o o t hs u r f a c e c u t t i n gt 0 0 1 i nd r y , m q la n dc r y o g e n i cm q lc o n d i t i o n s ，m i c r o g r o o v e dc u r i n gt o o ld e c r e a s e dt h e a v e r a g ef l a n kw e a ro f5 o ，7 7 ，1 2 3 w e a ra n dd a m a g em e c h a n i s mo fs u r f a c em i c r o - g r o o v e d m 基于表面微织构刀具的钛合金绿色切削冷却润滑技术研究 c u t t i n gt o o lw a sa n a l y z e d i tw a sf o u n dt h a ts u r f a c em i c r o g r o o v e sc o u l dr e d u c ea d h e s i o n w e a l o f t o o l a n dc e m e n t e dc a r b i d eb e t w e e nm i c r o g r o o v e sw o u l dd a m a g ei nt h ea c t i o no f a d h e s i o na n di m p a c to f c h i p k e y w o r d s ：t i t a n i u ma l l o y , c o o l i n ga n dl u b r i c a t i n g ，s u r f a c em i c r o - t e x t u r e ，m q l , a n t i - f r i c t i o n ， f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s i v 承诺书 本人声明所呈交的博士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名：熬玺垒。 日 期：3 趔：受：堡 基于表面微织构刀具的钛合金绿色切削冷却润滑技术研究 v m 图清单 图1 1 切削加工中的摩擦2 图1 2 摩擦对切削加工的影响3 图1 3 表面织构类型6 图1 4 表面织构在工程技术方面的应用7 图1 5 具有表面波纹的减阻涂装7 图1 6 具有表面织构的刀具s e m 图一8 图1 7 织构方向示意图8 图1 8 新型微纳米表面织构刀具9 图1 9 硬质合金刀具表面的微坑9 图1 1 0 论文内容结构示意图1 0 图2 1 正交切削试验测力测温原理图1 3 图2 2 低温冷风发生装置原理一1 4 图2 3 组装后的低温冷风装置。1 4 图2 4v o g e l 的m q l 装置1 4 图2 5 静电发生装置。1 5 图2 6 前刀面的正压力与摩擦力。1 7 图2 7 前刀面的平均摩擦因数1 8 图2 8t c 4 y g 8 及c u r c a 的热电势标定曲线1 8 图2 9 切削温度对比。1 9 图2 1 0 前刀面月牙洼磨损宽度k b 随切削时间的变化2 1 图2 1 1 后刀面平均磨损昭随切削时间的变化。2 2 图2 1 2 后刀面磨损最大值。随切削时间的变化2 2 图2 1 3 刀尖磨损v c 随切削时间的变化。2 2 图2 1 4 刀具磨损s e m 图一2 3 图2 1 5 已加工表面忌值随切削时间的变化2 5 图2 16 冷却润滑介质对铣削力的影响2 6 图2 1 7 典型铣削温度信号图2 8 图2 1 8 热结点移动示意图2 8 图2 1 9 冷却润滑介质对最高切削温度的影响2 9 南京航空航天大学博士学位论文 图2 2 0 冷却润滑介质对最低切削温度的影响2 9 图2 2 l 冷却润滑介质对刀具热应力的影响3 1 图2 2 2 冷却润滑介质对刀具磨损的影响( 切削长度为3 3m ) 3 1 图3 1 微织构刀具模型3 4 图3 2 微织构刀具有限元模型3 4 图3 3 集中力、分布力施加方式3 5 图3 4 载荷与约束施加示意图。3 5 图3 5 前刀面施加载荷曲线3 5 图3 6 。刀具总体应力分布图。3 7 图3 7 前刀面应力分布云图3 7 图3 8 刀具变形分布云图一3 8 图3 9 无织构与微织构刀具的应力和刀尖变形。3 9 图3 1 0 最大应力随加载的变化曲线3 9 图3 1 1 微坑直径和槽宽对刀具强度的影响4 0 图3 1 2 微织构深度对刀具强度的影响4 0 图3 1 3 微织构间距对刀具强度的影响4 1 图3 1 4 与切削刃的距离对刀具强度的影响4 2 图3 1 5 电解转印加工流程图4 3 图3 1 6 掩膜阴极制备工艺流程图4 4 图3 1 7 电解转印工具阴极实物图4 4 图3 1 8 电解转印加工微坑形貌4 5 图3 1 9 单个微坑形貌与轮廓4 5 图3 2 1 光学显微镜下表面微坑阵列图4 7 图3 2 2 激光加工的微织构形貌4 8 图3 2 3 激光加工的微坑三维形貌4 9 图3 2 4 激光加工的微沟槽三维形貌4 9 图4 1 摩擦磨损过程图5 1 图4 2 摩擦磨损试验装置与原理。5 2 图4 3 三向力信号与摩擦因数信号。5 3 图4 4 夹头及其高度调节。5 4 图4 5 摩擦副接触形式。5 5 图4 6 表面微织构形貌5 6 基于表面微织构刀具的钛合金绿色切削冷却润滑技术研究 x 图4 7 冷却润滑条件下摩擦因数随滑动速度的变化曲线5 8 图4 8 红外测温信号( 1 2 0m m i n ) 5 8 图4 9 冷却润滑介质对摩擦温度的影响一5 9 图4 1 0 不同冷却润滑条件下磨损体积随滑动速度变化曲线5 9 图4 1 1 冷却润滑介质对w c c o 的磨损系数的影响一6 0 图4 1 2 硬质合金磨损表面s e m 图( 6 0r r g m i n ) 6 2 图4 1 3 硬质合金磨损表面s e m 图( 3 0 0m m i n ) 6 2 图4 1 4 干摩擦与静电条件下硬质合金磨损表面的e d x 能谱图( 6 0m r a i n ) 6 3 图4 1 5 干摩擦和静电条件下硬质合金磨损表面局部特征( 3 0 0r r g m i n ) 6 3 图4 1 6 无织构和微坑试样的摩擦因数随载荷的变化曲线6 4 图4 1 7 无织构和微坑试样的摩擦因数随滑动速度的变化曲线6 5 图4 1 8 微坑织构对摩擦因数的影响6 5 图4 1 9 边界润滑状态下表面织构作用机理6 6 图4 2 0 表面微坑参数对摩擦因数的影响6 8 图4 2 1 滑动参数对摩擦因数的影响6 8 图4 2 2 微坑与微沟槽的摩擦因数6 9 图4 2 3 微坑与微沟槽的摩擦温度7 0 图5 1 刀具表面微织构形貌7 3 图5 2 微坑织构对切削力及前刀面平均摩擦因数的影响7 5 图5 3 微坑织构对刀屑接触长度的影响7 6 图5 4 微坑与微沟槽织构对前刀面平均摩擦因数的影响7 6 图5 5 微沟槽织构对切削力的影响7 7 图5 6 微沟槽织构对前刀面平均摩擦因数的影响7 8 图5 7 微沟槽织构对切削温度的影响7 8 图5 8 表面微织构刀具的热传递7 9 图5 9 切屑自由表面形貌8 1 图5 1 0 切屑与前刀面接触表面形貌8 2 图5 1 1 二维切削有限元模型与微沟槽织构刀具模型8 3 图5 1 2 温度对t i 6 a 1 4 v 的比热容影响8 4 图5 1 3 温度对t i 6 a 1 4 v 的热导率影响8 4 图5 1 4 锯齿状切屑形成示意图8 5 图5 1 5 切削力随切削时间的变化曲线8 6 南京航空航天大学博士学位论文 图5 1 6 微沟槽对切削力的影响8 7 图5 1 7 微沟槽对刀屑接触长度的影响8 7 图5 18 切削温度分布8 8 图5 1 9 剪切角随切削时间的变化曲线8 8 图5 2 0 前刀面切削温度分布曲线8 9 图5 2 l 微沟槽织构对切削温度的影响8 9 图5 2 2 微沟槽织构刀具9 0 图5 2 3 三维视频显微镜9 1 图5 2 4 刀具磨损随切削时间的变化曲线9 1 图5 2 5 无织构与微沟槽织构刀具后刀面磨损对比9 2 图5 2 6 前刀面月牙洼磨损9 3 图5 2 7 前刀面月牙洼磨损k b 、k m 、k t 值对比情况9 4 图5 2 8m q l 条件下无织构与微沟槽织构刀具表面粘结现象9 6 图5 2 9 低温m q l 条件下的刀具表面粘结现象9 6 图5 3 0 表面微沟槽的粘结过程9 7 图5 31 不同润滑条件下无织构与微沟槽织构刀具前刀面磨损形貌9 8 图5 3 2 无织构刀具表面粘结现象与粘结撕裂磨损9 8 图5 3 3 微沟槽刀具前刀面粘结物9 9 图5 3 4 微沟槽刀具表面的粘结撕裂磨损。1 0 0 图5 3 5 微沟槽刀具表面破损形貌一1 0 0 图5 3 6 沟槽问硬质合金的破损一1 0 1 基于表面微织构刀具的钛合金绿色切削冷却润滑技术研究 x 表清单 表2 1t c 4 的化学成分( 、纯) 一1 2 表2 2 钛合金正交切削试验切削参数及冷却润滑条件1 3 表2 3 静电发生装置的主要参数1 5 表2 4 钛合金车削试验条件一2 0 表2 5 冷却润滑介质的相对耐磨性。2 3 表2 6 干切削、m q l 与静电条件下前刀面的e d s 能谱( w t ) 2 4 表2 7 钛合金铣削试验参数一2 5 表2 8w k l 0 硬质合金的物理性质3 0 表3 1 刀具材料属性3 3 表3 2 表面织构参数的选择一3 6 表3 3 激光打标机的主要技术参数4 6 表4 1 摩擦副材料的物理和机械性能一5 4 表4 2 摩擦磨损试验条件一5 5 表4 3 无织构与微坑织构对比试验条件5 6 表4 4 正交试验因素水平表l 9 ( 3 4 ) 5 6 表4 5 微沟槽与微坑织构对比试验条件一5 6 表4 6 表面微坑摩擦试验正交试验结果一6 7 表5 1 表面微织构刀具参数7 3 表5 2 微织构刀具正交车削钛合金试验切削参数及冷却润滑条件7 3 表5 3 正交切削有限元模拟参数8 4 表5 4 微织构刀具车削钛合金试验参数一9 0 表5 5 不同区域能谱扫描结果1 0 1 南京航空航天大学博士学位论文 注释表 切削速度 进给量 切削深度 剪切角 月牙洼磨损宽度 月牙洼深度 月牙洼中心至切削刃的距离 刀尖磨损 后刀面b 区平均磨损 后刀面b 区最大磨损 表面粗糙度 x 轴方向切削力 y 轴方向切削力 z 轴方向切削力 正压力 摩擦力 切向切削力 径向切削力 摩擦因数 热电势 切削温度 剪切角 工件与刀具的热电曲线斜率 导线与工件热电曲线斜率 刀具冷端温度 工件冷端温度 每齿进给量 切宽 正应力 刀刃切入切出的温度差 刀具基体的热膨胀系数 磨损体积 刀片磨损带宽度 刀片圆弧半径 磨损系数 磨损系数 滑动路程 材料硬度 载荷 微坑直径或槽宽 织构深度 织构间距 与切削刃距离 刀屑接触长度 晰乃五 盯 凹 口 d r k 厶风p d 日 三 s 孑 圪厂 吻圣 胜 灯 脚 阳馏 心足b b r 乃e b 肛e 丁 痧 南京航空航天大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景与意义 进入二十一世纪，以高性能切削( 1 l i g hp e r f o r m a n c ec u t t i n g ，h p c ) 为代表精密、高效、低 成本、绿色为特征的先进切削技术已在发达国家的航空航天、能源装备、汽车、国防军工等重 点发展行业中得到迅速发展和广泛应用，并成为先进制造技术主体技术群中的关键技术【l 2 】。 随着对飞机各项性能要求的提高，钛合金、复合材料以及高强度不锈钢等难加工材料正被 越来越广泛地应用于飞机及其发动机。可以预见以精密、高效、低成本为代表的难加工材料高 性能加工技术将是新一代飞机制造的关键技术之一。掌握了难加工材料的高性能加工技术就能 掌握新一代飞机制造的主动权。因此，重点发展难加工材料的高性能加工技术，不仅对满足目 前飞机研制定型与在役飞机制造需求有重要的现实意义，而且为新一代飞机和发动机研制做好 充分的准备。 高速切削是高性能加工的一种主要工艺技术，已经广泛应用于航空模具、汽车等行业【3 ，4 1 。 实现难加工材料的高速加工，不仅需要机床、刀具，还需要与之相配套的工艺技术，如切削参 数和切削冷却润滑技术等工艺系统技术条件的支持 s - v 。虽然高速切削技术和各种新型高性能刀 具材料与刀具涂层的出现，已使高速切削在航空工业的铝合金加工中得到广泛应用，但是在航 空难加工材料范围内，刀具快速磨损依然是制约难加工材料高效精密加工的关键问题【8 9 1 。刀 具高损耗、加工效率低以及加工精度不稳定等问题是实现高效切削加工航空难加工材料的瓶颈 之一，严重制约了新型材料在飞机和发动机中的应用以及增大新型号的研制难度和进度。 目前钛合金适用的铣削线速度不超过2 0 0m m i n ，而且仅能在加工余量极小的精加工切削 用量下进行，其单位时间金属切除率并不高 1 0 _ 1 2 j 。经研究表明，限制钛合金等难加工材料切削 速度的原因主要是切削区的剧烈摩擦和高的切削温度。随着速度的提高，前刀面上剧烈摩擦， 热能大大增加，切削温度远高于普通切削，热磨损占主导地位，而切削刃作用边界处很高的应 力和温度梯度使边界磨损更加突出。因此，要提高难加工材料的加工效率，必须提高刀具的耐 磨性、减缓刀具磨损。 如何抑制刀具快速磨损已经成为切削加工领域重要的研究方向，目前主要从以下几个方面 着手：( 1 ) 新型超硬、陶瓷等刀具材料，如用陶瓷刀具可以实现1 0 0 0m m i n 的线速度切削高温 合金，采用无结合剂立方氮化硼( b i n d l e s s p c b n ) 刀具高速铣削钛合金等，但这些新型刀具材 料在加：1 = 难加工材料时易破损、费用高。( 2 ) 应用耐热性更好更耐磨的新型涂层，如t i a l n 及 综合性能更好的t i a l c n ，新型p v d 硬涂层材料，如c b n 、氮化碳( c n x ) 、a 1 2 0 3 、氮化物 ( t i n n b n ，t i n v n ) 等，纳米涂层材料【1 3 1 4 】以及具有自润滑作用的软涂层刀具等。( 3 ) 采 基于表面微织构刀具的钛合金绿色切削冷却润滑技术研究 用新的冷却润滑方式。传统的切削液在高速加工时已经无法发挥应有的作用，新型绿色切削技 术得到了迅速发展，如微量润滑( m i n i m a lq u a n t i t yl u b r i c a t i o n ，m q l ) 是用于难加工材料加工 较为适宜的冷却润滑方式，还有喷雾切削、液氮冷却切削、冷风切削、水蒸气切削等方式f m 7 】。 在未彻底实现陶瓷和超硬材料的高硬度和高韧性完美结合的情况下，利用刀具材料革新实 现钛合金、高温合金等难加工材料切削速度进一步提高仍难有本质突破。根据项目组前期对钛 合金、高温合金等难加工进行的高效切削试验表明，适宜的冷却润滑方式在目前条件下是提高 难加工材料的切削效率和加工质量最行之有效的措施。尽管目前各种新型刀具材料和刀具结构 层出不穷，但是基于性价比考虑，加工钛合金的切削刀具仍以硬质合金刀具为主，通过改善刀 工表面摩擦状态降低切削力切削温度以抑制刀具磨损是进一步提升加工效率的一种有效方法。 因此，本课题针对航空难加工材料钛合金高效精密加工对加工效率、加工质量以及加工成 本的迫切需求，提出“基于表面微织构刀具的钛合金绿色切削冷却润滑技术”，将表面织构与微 量润滑技术相结合，从而改善钛合金切削过程中的摩擦状况，降低刀具磨损，提高加工效率， 为解决钛合金等难加工材料高效精密加工过程中刀具快速磨损这一关键问题提供理论基础和实 现途径。本课题获得了国家自然科学基金资助( 项目编号：5 0 9 7 5 1 4 1 ) 。 1 2 金属切削加工中的摩擦与冷却润滑 1 2 1 切削加工中的摩擦 金属切削过程中，刀具与工件材料之间发生着强烈的摩擦接触作用，形成了刀具前刀面 切屑和后刀面厂工件已加工表面的两方面摩擦之o j 。如图1 1 所示。刀屑摩擦是指刀具前刀面与 切屑之间的挤压与摩擦，压力高达数g p a ，在高温作用下，切屑与前刀面部分接触区发生粘结， 形成内摩擦，如图1 1 中a 区所示。在b 区，切屑与前刀面是峰点接触，为滑动摩擦区。故通 常把刀屑问的摩擦分为粘结区的内摩擦和滑动摩擦区的外摩擦。刀工摩擦是后刀面与工件已加 工表面之间的摩擦，相比前刀面，后刀面的正压力较小，主要为峰点接触，故同样为滑动摩擦。 c 区为不发生摩擦的区域。 2 a 圆 b 豳 c 圈 图1 1 切削加工中的摩擦 南京航空航天大学博士学位论文 切削中的摩擦对切削加工过程有着重要影响，尤其是在高速切削难加工材料时，刀屑间的 摩擦更加剧烈，切削区温度更高，对切削过程影响更大。如图1 2 所示为摩擦对切削过程的影 响。其中，刀屑摩擦对切屑的形成、切削力、切削温度以及前刀具磨损等有较大影响：而刀： 摩擦对已加：i _ = 表面质量以及后刀面磨损有重要影响。因此，研究刀具与工件材料接触表面的摩 擦特性至关重要，并通过改善切削区的接触状态，以减小切削摩擦的影响。 图1 2 摩擦对切削加上的影响 1 2 2 切i l l l 口工中的冷却与润滑 切削加工中的摩擦与热对切削加工的各方面有许多不利影响，采取适当的措施降低切削区 的摩擦，减少切削热，改善切削加工过程，成为重要的研究内容。而切削液成为成为改善切削 区摩擦的有效方法，切削液在加工过程中起到润滑、冷却和清洗的作用，从而带走加工中产生 的热量、降低摩擦和刀具磨损、排除切屑等。 1 2 2 1 切i l l l 口工中的冷却 在金属加工中切削热主要来源于金属的塑性变形，切削区的冷却过程就是固体与流体之间 的传热过程。切削介质的冷却作用是通过介质与加工区进行复杂的热交换，将全部或大部分切 削热带走而实现降温。其冷却作用大小主要取决于切削介质本身的导热性能，如导热系数、比 热、汽化热、汽化速度和它对金属表面的润湿性能等，以及切削介质的供给方式，包括压力、 流量和速度等因素。一般，对于切削介质，其本身导热系数越大，则热传导的能力越强；比热 越大，其本身的容热能力越大，冷却作用也越好。 对于传统的冷却润滑方式，切削介质主要以浇注的形式供给到切削区，其冷却能力主要依 3 谬毒曩 基于表面微织构刀具的钛合金绿色切削冷却润滑技术研究 靠切削介质自身的性能。而对于一些先进的绿色冷却润滑技术，像一些以气态为主的切削介质 ( 如氮气、空气) 以高压射流的方式喷射到切削区，通过强制对流换热过程来达到冷却效果。 与液体相比，气体射流本身的比热和导热系数低，冷却性能差。但是通过这