微織構自潤滑刀具干切削0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的切削性能

龍遠強，鄧建新，周后明，易 斌

（湘潭大學機械工程學院，湘潭411105）

0 引 言

奧氏體不銹鋼具有優異的耐腐蝕性能和良好的綜合力學性能，廣泛應用于機械、化工、建筑、醫療器械等領域［1-2］。但由于奧氏體不銹鋼本身的高塑性、高延展性以及導熱性差等特點，使得其在機加工過程中容易出現切削溫度高、切削力大、加工硬化嚴重等問題，是典型的難加工材料［3］。尤其在干切削加工時，由于缺少切削液的潤滑作用，刀具與工件、刀具與切屑之間的摩擦加劇，引起切削溫度驟升、切屑粘結嚴重、刀具磨損加劇、工件加工表面質量惡化等一系列問題。為解決奧氏體不銹鋼的干切削難題，國內外學者從刀具材料［4］、切削工藝［5］及涂層技術［6-7］等方面進行了相關研究。

表面微織構技術是在摩擦副表面加工出具有一定尺寸、規則的幾何形貌（如微槽、微孔等）［8］，相對于光滑表面而言，合理的微織構表面能夠實現良好的減摩、降磨以及抗粘結效果［9-10］。微織構刀具能夠減少刀具與工件、刀具與切屑之間的摩擦，提高刀具的切削性能，特別是在加工難切削、易粘刀材料時具有獨特的優勢。日本學者Enomoto［11］等利用飛秒激光在WC-Co硬質合金銑刀的前刀面上加工出了微槽型納微織構，并在織構表面涂覆DLC（類金剛石）涂層，然后使用這種表面微織構刀具對鋁合金進行切削試驗，結果發現，納微織構刀具在干切削和微量潤滑條件下都能有效降低切削力，減少鋁切屑與刀具的粘結；Kawasegi［12］等利用飛秒激光在車刀前刀面制備了表面納微織構，該刀具在400m·s-1以上的高速切削條件下的切削力要明顯低于傳統刀具的；Chang［13］等在銑刀前刀面加工出了不同方向的微條織構，并進行切削試驗，結果表明，合理方向的微織構能夠有效減小刀具的磨損；吳澤［14］、戚寶運［15］等利用微織構刀具對Ti-6Al-4V鈦合金進行切削試驗后發現，微織構在干切削及微量潤滑條件下都能有效減小刀屑間的摩擦，提高鈦合金的切削性能，改善鈦合金切屑粘結的現象；鄧建新［16-17］等利用飛秒激光在硬質合金刀具和陶瓷刀具表面加工的納微織構在切削過程中能有效減小刀具與切屑間的摩擦，使切削力與切削溫度均得以降低。

表面微織構技術與固體潤滑劑自潤滑技術的有機結合是改善刀具切削潤滑性能的新思路，鑒于此，作者針對0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的難切削特性，結合刀具切削受力的特點，制備了微織構自潤滑刀具，并采用這種刀具與微織構無固體潤滑刀具、傳統無織構刀具對奧氏體不銹鋼進行切削試驗，旨在驗證微織構自潤滑刀具加工奧氏體不銹鋼的良好切削性能。

1 試驗方法

試驗以41605N硬質合金刀片（株洲鉆石切削刀具有限公司生產）作為基體，其主要成分為WC-6%TiC-6%Co（質量分數，下同），力學性能如表1所示。對41605N硬質合金刀具的前刀面進行拋光處理，使其表面粗糙度Ra≤0.05μm；然后利用半導體側面泵浦YAG激光打標機（主要性能參數如表2所示）在刀具的前刀面上加工出圓弧型微織構，制成微織構刀具（Surface-textured Tool，簡稱 ST 刀具）；加工好的微織構如圖1（a）所示，微織構的寬度約為30μm，深度約為60μm。為降低微織構對刀具強度的影響，圓弧微織構距主切削刃約200μm。將加工過的微織構刀具放置在無水乙醇溶液中利用超聲波清洗兩次，每次30min，清洗加工微織構過程中因燒蝕產生的微粒。在顯微鏡下利用手工涂抹的方法填充固體潤滑劑MoS2，制成微織構自潤滑刀具（Surface-textured Tool with Solid Lubricant，簡稱STS刀具），如圖1（b）所示。將對比試驗用的傳統硬質合金（41605N）刀具簡稱為CT刀具。

表1 刀具基體的主要力學性能Tab.1 Main mechanical properties of tool substrate

表2 激光打標機的主要性能參數Tab.2 Main performance parameters of laser marking machine

圖1 ST刀具和STS刀具的表面形貌Fig.1 Surface morphology of ST tool（a）and STS tool（b）

在普通CA6140型車床上進行切削試驗，工件材料為0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼，切削方式為連續干切削，切削刀具分別為STS刀具、ST刀具及CT刀具。對傳統硬質合金刀具的前刀面進行同樣的拋光處理，三種刀具的基材和安裝角度均一致。刀具的主要安裝角度：主偏角為45°，前角為-5°，后角為5°，刃傾角為0°。切削條件：切削速度為60～120m·min-1，進給量為0.1mm·r-1，切削深度為0.4mm。

使用Kister9257BA型壓電晶體動態測力儀對切削力進行測試；使用Fluke Ti32型手持式熱成像儀對穩定切削過程中的溫度分布進行成像，并將成像中的最高溫度作為切削溫度；利用JSM-6610LV型掃描電鏡（SEM）觀察刀具前刀面的磨損形貌；使用手持式數碼顯微鏡觀察切屑的形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 切削力

由圖2（a）可知，STS刀具與ST刀具在開始切削時的切削力均低于CT刀具的，且填充有固體潤滑劑的STS刀具表現出了更低的切削力。STS刀具開始切削時便有大量的固體潤滑劑溢出，從而使切削力較小。由圖2（b）可見，切削3min后繼續切削時，STS刀具的切削力仍小于CT刀具與ST刀具的，而ST刀具與CT刀具的相差不大。這表明STS刀具在持續切削過程中仍具有較小的切削力。

由圖3可見，與CT刀具相比，STS刀具在60～120m·min-1切削速度下穩定切削時的主切削力下降了8%～16%，切削抗力下降了12%～17%，進給抗力下降了5%～17%。

圖2 三種刀具在切削速度為120m·min-1時的主切削力Fig.2 Main cutting force of CT tool，ST tool and STS tool at cutting rate of 120m·min-1：（a）at the begining of cutting and（b）after cutting for 3min

圖3 三種刀具在不同切削速度下穩定切削時的三向切削力Fig.3 Three direction forces of three kinds of cutting tools at different cutting speed as tables：（a）main cutting force；（b）thrust cutting force and（c）feed cutting force

2.2 切削溫度

由圖4可知，STS刀具在120m·min-1切削速度下的最高溫度出現在刀尖處。由圖5可知，在不同的切削速度下，STS刀具的切削溫度明顯低于CT刀具與ST刀具的；與CT刀具相比，STS刀具的切削溫度下降了15%～24%。

2.3 前刀面的磨損形貌

刀具在加工不銹鋼時前刀面的磨損形式主要為粘著磨損。在120m·min-1的切削速度下切削3min后，CT刀具的前刀面出現了較嚴重的切屑粘結，而STS刀具由于固體潤滑劑的作用僅出現輕微的粘結，如圖6所示，CT刀具、ST刀具和STS刀具上 切 屑 粘 結 的 長 度 分 別 為 0.782，0.712，0.608mm。可見，STS刀具的切屑粘結長度比CT刀具的約減小了22%，STS刀具的抗粘結性能明顯優于CT刀具與ST刀具的。

圖4 STS刀具在120m·min-1切削速度下的溫度分布Fig.4 Temperature distribution of STS tool at cutting rate of 120m·min-1

圖5 三種刀具在不同切削速度下的切削溫度Fig.5 Cutting temperature of three kinds of tools at different cutting rates

2.4 切屑形貌

由圖7（a）可知，STS刀具切屑的曲卷半徑明顯小于CT刀具切屑的。由圖7（b～c）可見，在相同的切削條件下，STS刀具切屑被剪切的次數要高于CT刀具切屑的，這表明STS刀具的剪切角大于CT刀具的。此外還可以看出，STS刀具切屑的變形明顯小于CT刀具的。

2.5 討 論

試驗結果表明，在切削0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼時，與傳統CT刀具相比，STS刀具有更低的切削力及切削溫度，改善了切屑在前刀面的粘結，減小了切屑的曲卷半徑，表現出了更佳的切削性能。STS刀具切削性能的改善主要歸因于微織構與固體潤滑劑的雙重作用。由金屬切削理論可知，主切削力Fz可近似表示為：

式中：Ff為切削摩擦力；β為摩擦角；γ0為刀具前角；aw為切削寬度；lf為刀屑接觸長度；τc為平均剪切應力；Ar為切削寬度。

在切削過程中，切削力與切削熱作用使得MoS2固體潤滑劑從微織構中擠出，并隨著切屑的移動而涂覆在刀具和切屑的接觸面上，形成固體潤滑膜，因此使得平均剪切應力減小，進而使得切削摩擦力減小，從而降低了切削力與切削溫度。此外，微織構與固體潤滑劑的作用亦使切屑與刀具的接觸長度減小，剪切角增大，從而增加了切屑的曲卷，有利于切削斷屑。

圖6 三種刀具在120m·min-1切削速度下切削3min后前刀面的SEM形貌Fig.6 SEM morphology of rank face of three kinds of tools after cutting at cutting rate of 120m·min-1 for 3min：（a）CT tool；（b）ST tool and（c）STS tool

圖7 CT刀具和STS刀具在100m·min-1切削速度下切削3min后得到的切屑形貌Fig.7 Morphology of ships obtained by CT tool and STS tool cutting at cutting rate of 100m·min-1for 3min：（a）macrograph；（b）CT tool chip，partial enlarged view and（c）STS tool chip，partial enlarged view

切屑的移動方向與微槽織構方向近似垂直，如圖8所示，切屑移動經過微織構時使刀屑接觸面積減少，進而使切屑不能牢固地粘結在微織構區域，特別是當切屑經過填充有固體潤滑劑的微織構時，切屑難以粘結在織構后方，如圖8（b）所示。

圖8 ST刀具和STS刀具微織構處的切屑形貌Fig.8 Chip adhension micrograph on texture area of ST tool（a）and STS tool（b）

3 結 論

（1）與傳統刀具相比，微織構自潤滑刀具的主切削力、切削抗力、進給抗力分別降低了8%～16%，12%～17%，5%～17%，同時切削溫度也降低了15%～24%，明顯提高了0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的切削性能。

（2）填充固體潤滑劑的微織構具有良好的抗粘結性能，微織構自潤滑刀具能有效改善切削0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼時的粘刀現象，切屑粘結長度約減小了22%。

（3）微織構自潤滑刀具能增加切屑的曲卷，提高切屑的斷屑能力。

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