摩擦磨损与润滑

刀具的摩擦磨损,主要内容：,刀具的摩擦磨损刀具摩擦磨损的影响因素自润滑刀具切削加工与刀具技术的发展前景,刀具的摩擦磨损,刀具的种类形状千奇百怪怎么研究呢？,刀具的摩擦磨损,后刀面,切屑流出方向,刀具进给方向,前刀面,剧烈摩擦和挤压，高温,刀具磨损：机械磨损和热效应磨损刀具磨损经常是机械的、热的、化学的三种作用的综合结果,刀具切削示意图,刀具的摩擦磨损,前刀面月牙洼磨损,后刀面磨损,刀具的摩擦磨损,塑性变形,积屑瘤,刀具常见的磨损及其产生原因和解决方法,刀具摩擦磨损影响因素,影响刀具磨损的因素很多：材料、刀具几何角度、涂层、切削用量、切削液等,刀具材料：决定刀具切削性能根本因素。,常用刀具材料的硬度与韧性(刀具材料与工件材料的力学性能匹配),刀具材料要求：1.足够高强度与韧性2.足够的硬度和耐磨性3.足够的耐热性、热硬性和较好的传热性,刀具摩擦磨损影响因素,刀具材料物理性能比较(刀具材料与工件材料的物理性能匹配),刀具材料化学性能比较(刀具材料与工件材料的化学性能匹配),刀具几何角度的选择十分重要，选用的一般性原则：,刀具摩擦磨损影响因素,1.要考虑工件的实际情况（工件材料的化学成分、物理机械性能，还有毛坯表层情况、工件的形状、尺寸、精度和表面质量要求等。）2.要考虑刀具材料和刀具结构（要考虑刀具材料的化学成分、物理机械性能，还有刀具的结构型式，是整体式、焊接式或机夹式等。）,3.要注意各个几何参数之间的联系（刀具的刃形、刃区、刀面和角度之间是相互联系的，应该综合起来考虑它们之间的作用与影响，分别确定其合理数值。）4.要考虑具体的加工条件 (选择合理几何参数，也要考虑加工条件，这就是机床、夹具的情况，工艺系统刚度及功率大小，切削用量和切削液性能等。),刀具摩擦磨损影响因素,切削用量：是指切削速度VC、进给量f和切削深度ap，又称切削用量三要素,切削路程与刀尖磨损量的关系,进给量与刀尖磨损量的关系,切削深度与刀尖磨损量的关系,如下为工件：HT250刀具：PCBN切削三要素与刀尖磨损量的关系,刀具摩擦磨损影响因素,刀具涂层：在刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜，解决了刀具存在的强度和韧性之间的矛盾，是切削刀具发展的一次革命。,单层涂层,梯度涂层,多层涂层,纳米多层涂层,纳米复合结构涂层,刀具涂层的分类,刀具摩擦磨损影响因素,刀具涂层工艺,化学气相沉积（CVD）,物理气相沉积（PVD）,反应物,化学反应,气态副产物,边界层,靶材,工件,在一定温度和真空度下，在反应室内涂层材料元素的化合物或单质反应源气体，在刀具表面和气相界面进行分解、化合等化学反应，最终在刀具基体上形成一层均匀一致的化合物薄膜层的过程。,在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上。,切削液：具有润滑、冷却、清洗及防锈等作用，对提高切削加工质量和效率、减少刀具磨损等均有显着效果。,21世纪的两种切削液技术：最小润滑技术和液氮冷却技术,最小润滑技术MQL干式切削加工是不采用任何切削液的加工，它可以从根本上消除传统湿式加工易污染环境的弊端，是切削技术的一场深刻革命。但干式切削具有温度高、切削力大等特点，又出现了一系列湿式加工中没有的问题。目前，干式切削技术还很不成熟，其应用范围也很有限。而传统的湿式切削又有诸多不足。准干式切削是一种介于湿式切削和纯粹干式切削之间的切削方式，又称为最小润滑技术。准干式切削采用喷雾冷却方式，它用极少的切削液而起到较好的冷却和润滑作用。,液氮冷却技术利用液氮进行低温（超低温）切削加工，就是利用液氮使工件、刀具或切削区处于低温冷却状态进行切削加工的方法。氮气是大气中含量最多的成分，液氮作为制氧工业的副产品，来源十分广阔。使用液氮作为切削液，应用后直接挥发成气体返回到大气中，没有任何污染物，从环保方面看，是一种有前途的切削液替代品。,刀具摩擦磨损影响因素,自润滑刀具,针对干切削加工刀具设计，一方面要开发新型的刀具材料及刀具涂层技术，并使之相结合，提高刀具耐磨损和耐高温性能；另一方面要设计新型的自润滑刀具实现刀具的自润滑，提高刀具减摩润滑性能的同时保证自润滑刀具基体机械性能。,自润滑刀具：是指刀具材料本身具有减摩、抗磨和润滑功能，可在无外加润滑液或润滑剂的条件下实现自润滑切削加工，可显著改善干切削过程的摩擦润滑状态。自润滑刀具能降低摩擦系数、减小磨损、省掉冷却润滑系统、克服切削液造成的环境污染、实现清洁化生产、降低成本及减小设备投资。所以说自润滑刀具是一种洁净的绿色加工刀具,自润滑刀具,添加固体润滑剂的自润滑刀具：添加固体润滑剂的自润滑刀具是将固体润滑剂直接添加到刀具材料中，制备成含有固体润滑剂的复合刀具。,工作原理：刀具前刀面的固体润滑剂由于受到高温、摩擦和切削力的作用，被“挤压”出刀具表面，在切削温度作用下，固体润滑剂处于塑性状态并被拖敷于刀具表面，形成固体润滑膜，从而赋予刀具的自润滑特性。,添加固体润滑剂自润滑刀具在切削过程中的减摩模型,自润滑刀具,软涂层自润滑刀具：是指将固体润滑剂通过涂层的办法直接涂覆于刀具表面，从而实现刀具的自润滑功能，这类涂层刀具也称为自润滑涂层刀具,软涂层刀具的润滑机理示意图,原位反应自润滑刀具：原位反应自润滑刀具是指利用切削高温作用下的摩擦化学反应，在刀具表面原位生成具有润滑作用的反应膜，从而实现刀具的自润滑。因此，通过对刀具材料进行合理的组分匹配设计和摩擦学设计，利用切削过程中的摩擦化学反应在刀具表面原位生成具有润滑作用的反应膜，实现自润滑。这种自润滑刀具材料在较高温度下具有良好的自润滑能力，适合于高速干切削。但是原位反应自润滑刀具不易降低中低速切削的摩擦系数，且化学反应很难控制，高温情况下的反应有可能加剧刀具磨损，使其应用受到一定限制。,自润滑刀具,微孔表面技术：通过激光、电火花和喷丸等方法获得具有一定尺寸、形状及阵列的微孔表面，可以有效改善表面的润滑和抗磨效果，并提高其承载能力。微孔表面作为改变机械摩擦性能的可控技术在工程中已有广泛应用。并已经在机械部件中如内燃机中的活塞环、发动机气缸、导轨、轴向密封圈等零件上成功应用。,微织构自润滑刀具：是指在刀具的刀- 屑（刀- 工）接触区加工出微织构，在微织构中添加固体润滑剂，切削时由于高温的作用使微织构中的固体润滑剂软化而拖敷于刀具表面，在刀- 屑（刀- 工）接触区形成连续的固态润滑膜，从而实现刀具本身的自润滑，以达到减小摩擦、降低磨损和提高刀具寿命的目的。,微织构自润滑刀具切削过程中的减摩模型,自润滑刀具,微织构自润滑刀具的润滑膜层在切削加工中是一个润滑膜形成、磨损、再形成的循环过程，微织构自润滑刀具在微孔完全磨损的整个生命周期内始终具有自润滑效果。微织构自润滑刀具是一种新型的干切削加工润滑刀具，有待于深入的研究微织构结构、尺寸及其减摩抗磨作用机理，在保证刀具基体强度的同时尽量延长其作用时间，并确定微织构刀具的适用范围。,软涂层微织构自润滑刀具：软涂层微织构自润滑刀具是指通过飞秒激光19 等微细加工技术在刀具的刀- 屑（刀- 工）接触区加工出微米或纳米级别尺寸的具有一定排列的小孔、凹槽等形貌的点阵，然后通过物理气相沉积法(PVD) 在刀具表面涂层MoS2 或WS2 等软涂层。,软涂层微织构自润滑刀具的加工工艺,自润滑刀具,软涂层微织构自润滑刀具尚处于研究阶段，有待于深入研究微织构的结构、尺寸及其减摩抗磨作用机理，同时软涂层的材料、涂层厚度、涂层工艺、与刀具基体的匹配程度、过渡层的选择等需要再做进一步的研究，以达到最优的干切削加工性能。,结束语干切削加工技术是实现绿色制造的关键技术，是一种先进的制造技术，而干切削加工刀具技术则是干切削加工技术中的关键技术。由于缺少切削液的润滑和冷却，干切削刀具在实际加工中的摩擦条件会异常严酷，刀具磨损十分严重。而自润滑刀具则是干切削时最好的选择，其不但实现了刀具自身润滑的功能，而且在自润滑的同时降低了刀- 屑和刀- 工之间的摩擦力，减轻了刀具磨损，同时降低了刀具的切削温度，达到冷却的功能。,而在5 种自润滑刀具中，添加固体润滑剂的自润滑刀具由于是把固体润滑剂添加到基体中去，因而有可能使得刀具基体材料的机械性能变差，从而影响刀具的切削性能；而原位反应自润滑刀具是刀具内部成分发生化学反应，必须达到较高的反应温度；软涂层自润滑刀具的软涂层磨损后难以补充，一旦磨损或脱落涂层作用就将失效；微织构自润滑刀具由于加工的织构较小，所以可填充的润滑剂数量有限，而如果加工的织构较大，就会影响刀具的强度和机械性能；而软涂层微织构自润滑刀具，由于具备