金属切削综述

表面织构刀具研究综述苏哩莉（天津理工大学 机械工程学院 300384）摘要:现代金属切削加工的总体发展趋势是高速、高效、低碳环保，而加工过程中刀具的快速磨损依然制约刀具寿命和切削效率的提高。仿生摩擦学的出现，为刀具减摩技术提出了新的研究方向，仿生摩擦学的相关研究表明：摩擦副表面并不是越光滑摩擦力越小，具有一定微观结构单元的非光滑表面(表面织构)往往具有更小的摩擦阻力。本文将总结表面织构刀具的加工方法以及其切削性能的研究成果。关键字：仿生摩擦学；表面织构；加工方法；研究成果1. 引言1.1 仿生摩擦学仿生学(Bionics)，是一门综合性的科学。准确来讲，仿生学是将生物学、工程技术和数学等众多学科结合在一起，通过研究和提取生物系统的结构、功能和信息控制等各种优异特征来改善或者创造出新的工程设备、工艺过程、建筑构型等技术系统。仿生机械研究内容包括：基于生物系统的仿生机构、仿生部件和仿生表面等。仿生摩擦学是仿生机械中的重要方面。生物表面的相关知识是摩擦学仿生的基础。生物摩擦学研究生物外表面与环境、生物体内表面之间发生的摩擦学现象。摩擦学仿生研究不同生物表面质构、材料特性及其环境的相互关系，并用所获得的知识指导摩擦学设计。例如：鲨鱼表皮形态及其流体力学效应是非光滑表面减阻的一个良好的例子。基于鲨鱼皮的这种表面形态建立了仿生润滑减阻模型，并将该模型成功应用到了舰艇和飞机的表面涂装中，取得了良好的效果。欧洲空中客车公司采用这种减阻模型对飞机表面进行涂装，通过空中飞行发现，飞机飞行的阻力降低了6-8%。图1.1为鲨鱼皮表面形态和鲨鱼皮泳衣。a）鲨鱼皮上的肋条形态 b）第三代仿鲨鱼皮游泳衣结构图1.1 鲨鱼皮表皮形态及仿鲨鱼皮泳衣仿生摩擦学是一个新的交叉学科领域，具有仿生学和摩擦学发展的双重特点。仿生摩擦学的目的是制备具有优异摩擦学性能的表面或者零件。根据仿生摩擦学的机理，人们逐渐将其应用于刀具切削方面。因此诞生了表面微织构加工技术，利用带有微织构的刀具进行切削的研究。1.2 表面织构表面织构具有以下作用：1）、在干摩擦或边界润滑是可作为储屑槽，减少磨损，延长寿命；2）、表面微坑可作为储油槽，为边界润滑或混合润滑的表面提供润滑；3）、在相互平行的摩擦表面产生动压润滑，减小摩擦系数。物体表面织构的几何参数影响甚至决定着物体表面的摩擦性能。几何参数主要包括表面形状、尺寸大小、间距、剖面形状、凹坑或凸起、深度、面积密度等，常见的几何形状有圆形、矩形、三角形，六边形的凹坑和平行或成网状分布的槽形，在所有参数中，织构尺寸和深度的比值对摩擦性能的影响较大。同时表面织构的分布对摩擦因数也有较大的影响，如采用局部织构可比全面织构提高耐摩擦磨损性能，同时可降低织构成本。2. 刀具表面织构的加工技术微织构已被证明是一种改进表面摩擦性能和提高表面承载力的有效措施。随着微织构应用的普及，微造型技术日益成熟起来，包括电火花加工、光刻加工、激光加工等技术，其中激光加工由于操作简单、加工效率高以及不受材料限制等特点得到了广泛的应用。1、 电火花加工技术电火花加工是一种利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电产生的电腐蚀现象来蚀除工件料，以获得一定的加工形状的非接触加工方法。电火花加工方法能够满足用传统机械加工方法难于加工的硬质合金等材料的成型加工，并适用于深孔加工及复杂形状造型。研究人员曾利用微细电火花加工方法在硬质合金刀具上加工微孔阵列，制备了微池自润滑刀具。采用离线制作工具电极的方式制备了直径0.1mm的紫铜电极，使用DZW-10微细电火花加工机床在硬质合金刀具前刀面刀-屑接触区或后刀面易磨损带加工出了直径0.15mm、深度0.3mm的微孔阵列（图2.1）。图2.1 硬质合金刀具电火花加工的微孔形貌Koshy等采用电火花的加工方法在高速钢车刀的前刀面加工了连续面型和凹槽阵列的两种表面织构。加工的两种表面织构示意图如图2.2所示，其中织构凹槽的宽度和深度均约为100m。图2.2 高速钢刀具前刀面的织构形式2、 光刻加工技术光刻技术是一种利用照相复制与化学腐蚀相结合，在工件表面制备微细薄层图形的加工方法。该技术多用于半导体元器件及集成电路的制作加工，文献报道最近有研究学者已将光刻技术引入了切削刀具表面织构的制备。Obikawa等利用光刻加工方法在硬质合金刀具前刀面制备了垂直于主切削刃的微凹槽阵列、平行于主切削刃的微凹槽阵列、微方坑阵列及微凸点阵列4种表面织构。该研究首先采用直流磁控溅射的方法在硬质合金刀具基体表面涂覆厚度为0.51.2m的金属镍，利用湿法刻蚀的光刻技术在已涂层刀具前刀面刻蚀出4种特定的织构图案，然后利用等离子化学气相沉积法（PCVD）在织构表面涂覆类金刚石薄膜（DLC）或利用直流磁控溅射法涂覆氮化钛（TiN）。图2.3为Obikawa等制备的4种DLC涂层微织构形貌图2.3 刀具表面的DLC涂层微织构形貌3、 激光加工技术激光加工是一种利用激光束照射工件表面，使材料融化气化的加工方法。激光加工方法因能量密度高、加工可控性好、加工速度快以及易实现精密加工等优点，被广泛应用在制造业的诸多领域。在目前已报道的切削刀具表面织构的加工方法中，激光加工技术的应用也最为广泛。按照所使用的激光加工设备的不同，目前刀具表面织构的激光加工方法又分为Nd：YAG激光加工和钛宝石飞秒激光加工两类。李亮等同样利用激光打标机在硬质合金YG8车刀的前刀面加工了宽度27m、深度12m的微沟槽阵列。利用Nd：YAG激光打标机在硬质合金车刀片前刀面刀-屑接触区加工了多种微凹槽织构，并在织构凹槽中填充二硫化钼固体润滑剂，制备了微织构自润滑刀具。所加工的织构凹槽的宽度和深度分别约为50m和100m。Lei等利用钛宝石飞秒激光加工技术在硬质合金车刀片前刀面刀-屑接触区加工了直径为几十到几百m的微孔阵列，在微孔中填充固态或液态润滑剂，制备了微池刀具。Sugihara和Enomoto利用钛宝石飞秒激光加工技术在硬质合金铣刀片前刀面加工了微纳织构，并采用等离子化学气相沉积或电弧离子镀方法在微纳织构表面涂覆了类金刚石薄膜；Sugihara等随后仍然利用飞秒激光加工方法在硬质合金铣刀片前刀面加工了宽度为20m、深度为5m的条纹状表面织构。Kawasegi等也进行了类似的研究，他们采用钛宝石飞秒激光在硬质合金车刀前刀面分别加工了垂直于切屑流动方向、平行于切屑流动方向和交叉网格状的3种表面微纳凹槽织构，凹槽的宽度和深度大约分别为5m和1.5m。3. 表面织构刀具的研究成果日产研究中心的 Manabu Wakuda等人利用喷砂处理(AJM)和激光处理(LBM)技术在试样表面加工出不同密度和大小的微坑造型，将氮化硅陶瓷和淬火钢组成销盘摩擦副进行摩擦磨损试验，试验结果研究发现：在相同试验条件下，与无织构试样相比，有些织构试样可以将摩擦系数从 0.12 降到 0.10；无论微坑的轮廓形状是否圆滑，织构表面的摩擦特性与微坑的大小和分布密度有很大关系。美国阿贡国家实验室的Andriy Kovalchenko等人利用激光表面造型技术在试样表面加工出微坑阵列，微坑在油润滑的相对滑动表面可以形成动压力。销盘试样的相对滑动速度为0.015-0.75 m/s，接触压强为0.16-1.6MPa，试验中采用两种不同粘度的润滑油。试验证明表面织构扩大了流体动压润滑的载荷和速度参数，这和斯特里贝克曲线的摩擦过渡趋势是一致的。在高粘度润滑油、高速度和高载荷条件下，激光加工表面效果更好。南京航空航天大学王晓雷教授，在日本东北大学期间，利用激光加工技术和反应性离子刻蚀技术(RIE)加工出直径 50-650m深度 2-16.6m的不同间距的微坑织构，并首次提出了不同特征参数的表面织构设计优化的思想。在水润滑条件下，通过摩擦磨损试验研究了表面织构对摩擦副表面摩擦性能的影响。实验结果表明：表面织构能够有效的稳定 SiC 摩擦副表面的摩擦状态，减小摩擦系数，提高表面承载能力。发现摩擦副表面承载能力的提高与织构表面的微坑分布、微坑的深径比和面积占有率有着重要联系，合理的表面织构参数可将表面承载力提高到两倍以上。清华大学的韩中领等人，利用磨削加工和腐蚀加工方法加工出不同的表面凹坑形貌，通过面-面摩擦试验发现，在乏油润滑条件下，材料表面的凹坑形貌具有一定的减阻作用，并且减阻效果与凹坑深度有着重要联系。进一步对凹坑表面润滑机理研究发现，凹坑内存在一定的气泡，在润滑油和气泡共同的承载作用下摩擦力最小，而从乏油润滑到全膜润滑过程中，存在一个最合理的凹坑深度，具有此深度的凹坑形貌表面减阻效果最好。日本中央研究所的Noritak Kawasegi等人利用前刀面加工有沟槽型微织构的刀具，在微量润滑条件下车削铝合金，发现微织构可以明显降低前刀面的摩擦力，大大减小切削力，垂直切屑流动方向的微织构比平行切屑流动方向的微织构对降低切削力的效果更明显。结果证明微织构刀具明显提高了铝合金的机械加工性能。日本大阪大学工程研究所的Sugihara和Enomoto针对刀具由于切削粘结现象导致刀具失效问题进行研究，利用飞秒激光在刀具表面加工微米纳米相结合的微织构，进行铝合金铣削实验，研究了微织构润滑和抗粘结性能，提出了新型微纳米表面织构刀具。美国的 Shuting Lei等人通过激光加工技术在硬质合金刀具的前刀面上加工了一些圆形微织构，利用有限元软件进行切削分析，发现由于微织构的存在，切削力降低了10-30%，前刀面的摩擦因数也有降低。有微坑的刀具加工时产生卷曲的切屑而没有微坑刀具加工时的切屑长而直，在减少刀屑接触面的长度和摩擦系数方面，微坑中的液体润滑剂和固体润滑剂效果相当，微坑没有对前刀面产生负面影响。山东大学的吴泽、邓建新等人采用激光加工方法在硬质合金车刀前刀面月牙洼易磨损区域加工出具有一定密度的沟槽微织构，并进行了干切削淬火45 钢的对比试验，试验结果发现: 前刀面具有微织构的刀具能够显著降低切削力和减小前刀面磨损，其中，微织构的条纹方向垂直于切屑流动方向的刀具与平行于切屑流动方向的刀具相比，前者前刀面磨损更轻微。南京航空航天大学的王震、李亮等人在WC-Co硬质合金材料表面制作出微凹坑阵列，与Ti6A14V构成摩擦副，在微量润滑(MQL)条件下进行摩擦磨损试验，实验研究发现：在MQL条件下，微织构对WC-Co/Ti6A14V摩擦副具有一定的减摩效果，特别是在高速中载和低速高载时效果较好。山东大学的吴泽等人利用制备的前刀面刀-屑接触区带有微孔的微池自润滑刀具进行干车削淬火45号钢试验，对比实验结果表明，微池自润滑刀具比普通硬质合金刀具能够降低切削力达25%35%，同时减轻了工件材料的粘结现象及刀具磨损。4. 结论虽然表面织构化的科学研究已取得了重要进展，但目前的表面织构化研究主要以单一的规则织构化图案如凹坑和凹槽为主，缺少对复杂织构和仿生织构的系统研究，同时对表面织构的设计缺乏相应的理论计算和模拟研究。我们认为将来应着重从以下开展对表面织构的研究：根据研究结果，找出摩擦工况与润滑要求，织构制备工艺参数、织构化几何形状及参数等因素与摩擦润滑理论之间的关系，积极展开相关的理论模拟与计算研究；开展多元化织构，包括更多形状、复杂形状、仿生形状和复合织构的深入研究；在微观摩擦学领域，将表面织构化与新型润滑剂包括液相、固相润滑剂以及其他类型自适应涂层结合，研究其对表面摩擦学性能贡献的协同作用。参考文献1戚宝运,李亮,何宁.微织构刀具正交切削Ti6Al4V的实验研究.摩擦学学报J，2011，31（4）2Philip B. 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