仿生摩擦學刀具織構設計*

杜宏益，何　林，杜紅星，馬珂婧，李亞平

(1.貴州大學 機械工程學院，貴陽　550025；2.河南中鴻集團煤化有限公司,河南 平頂山　467045)

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仿生摩擦學刀具織構設計*

杜宏益1，何林1，杜紅星2，馬珂婧1，李亞平1

(1.貴州大學 機械工程學院，貴陽550025；2.河南中鴻集團煤化有限公司,河南 平頂山467045)

論文應用仿生摩擦學原理設計刀具微織構，建立刀具切削模型，以42CrMo、GH4169、TC4、45鋼和7050鋁合金材料加工為例，使用切削軟件Third Wave AdvantEdge研究了不同的織構形式對切削溫度和切削力的影響，發現沿流屑方向的微織構模型最有利于降低切削力和刀具溫度，為高效加工難加工材料提供了新的思路。

仿生摩擦學；流屑方向；微織構；切削力；刀具溫度

0　引言

隨著高效加工技術給各大行業帶來的巨大經濟效益，它已成為機械制造技術的重要發展方向，但對高強度鋼等難加工材料的高效加工，刀具技術是關鍵。近年來，隨著仿生摩擦學研究的迅速發展，運用仿生體系的減摩抗粘機理進行刀具的仿生織構設計以改善刀具的切削性能，已成為刀具技術突破的潛在點。

有關學者研究發現，運用鯊魚皮鱗盾溝槽的減阻機理[1]，泳衣可減阻8%、飛行器可減阻6.6%；將仿生耦合理論運用到孕鑲金剛石鉆頭[2]上，使其鉆進效率提高42.7%、壽命延長73.8%；關于凹坑型非光滑高速鋼車刀[3]切削45鋼仿真分析得其磨損量降低30%、平均溫度降低15%；用溝槽微織構硬質合金刀片[4]切削45鋼時其正壓力和前刀面摩擦力分別減小7.41%、10.97%。這些都利用了表面微織構的減摩抗磨機理。本論文基于穿山甲鱗片的摩擦磨損特性研究結論，以矩形織構為例開展織構方向對刀具性能的影響研究。

1　仿生摩擦學刀具微織構設計

仿生摩擦學[5]是運用仿生學原理，通過對生物體系的減摩、抗粘附、增摩、抗磨損以及高效潤滑機理的研究，從幾何、物理、材料和控制等角度借鑒生物體的成功經驗和創成規律，研究、發展和提升工程摩擦副的摩擦學性能。刀具在切削塑性金屬的過程中，由于切屑和刀具前刀面之間會產生非常大的壓力，幾乎能達到2～3GPa，刀屑擠壓摩擦時會產生上千度的高溫，可使切屑底部與刀具前刀面間發生粘結，減少切屑對刀具的力與熱的作用，對于提高刀具性能至為重要。

穿山甲鱗片由極細的棱柱結構單元和疊片結構單元混合而成，研究發現其鱗片是其挖洞扒土的有效工具。在自由磨料磨損條件下，研究穿山甲鱗片的摩擦磨損特性[6]時發現，當磨料平行于棱紋方向滑動時，棱紋上接觸應力分布均勻，磨料既不發生滾動效應也不發生引導效應，從而使鱗片表現出較強的耐磨性；而當磨料滑動方向與棱紋方向垂直時，在棱紋迎砂面具有很高接觸應力，從而導致嚴重磨損。

流屑角與刀具的幾何角度、被加工材料的性能和加工工藝參數等因素相關，是刀具切削過程的一個綜合闡述。在直角切削時，切屑沿刀刃法向流出，即流屑角ψλ=0°；在其它方式切削時，其計算公式[7]如下：

圖1　微織構與流屑方向夾角示意圖

因此，受穿山甲鱗片的摩擦磨損特性研究的啟發，以矩形織構為例，設計與流屑角不同夾角方向的織構如圖1所示，研究不同夾角織構對刀具性能的影響。

2　微織構刀具切削難加工材料仿真分析

選取55°菱形刀片，刀具工作后角α0為6°、刀尖半徑rε為0.4mm、前角γ為9°、刃傾角λs為-7°、主偏角kr為93°，選取加工工藝參數：工件轉速n為600r/min、切削深度ap為1.5mm、進給量f為0.3mm，依據流屑角公式，計算流屑角ψλ=6.293°。以下分別選擇42CrMo、 GH4169、TC4、45鋼和7050鋁合金加工材料，采用矩形微織構：其截面寬20μm、深20μm、平均相距40μm，使用Third Wave AdvantEdge切削軟件進行三維干切削仿真分析研究。

2.1加工42CrMo材料的切削仿真分析

根據上述切削用量和刀具有關參數，對直徑為φ90mm、硬度為HB314的42CrMo材料仿真分析得到的仿真溫度云圖如圖2所示，織構方向對加工刀具溫度和切削力的影響如圖3所示。

(a)無織構

(b)微織構與流屑方向夾角-25°

(c)微織構沿流屑方向

(d)微織構與流屑方向夾角25°

圖3　切削42CrMo時各微織構對刀具最高溫度和

對無織構刀具仿真得刀具最高溫度是1145℃、切削合力是2512N。分析圖2、圖3時發現，沿流屑方向微織構刀具切削時刀具最高溫度最低、切削合力最小，其切削合力降低了33.663%；雖然刀具最高溫度相差不大，但根據等溫線分布，可知有效降低了溫度分布，其平均溫度降低了25%。

2.2加工GH4169材料的切削仿真分析

各有關參數同上所述，對硬度為HB409的GH4169材料仿真分析得到的仿真溫度云圖如圖4所示，織構方向對加工刀具溫度和切削力的影響如圖5所示。

(a)無織構

(b)微織構與流屑方向夾角-25°

(c)微織構沿流屑方向

(d)微織構與流屑方向夾角25°

圖5　切削GH4169時各微織構對刀具最高溫度和

對無織構刀具仿真得刀具最高溫度是1130℃、切削合力是2650N。分析圖4、5時發現，沿流屑方向微織構刀具切削時刀具最高溫度最低、切削合力最小，其切削合力降低了26.818%；雖然刀具最高溫度相差不大，但根據等溫線分布，可知有效降低了溫度分布，其平均溫度降低了19%。

2.3加工TC4材料的切削仿真分析

根據上述切削用量和刀具有關參數，對直徑為φ90mm、硬度為HB268的TC4材料仿真分析得到的仿真溫度云圖如圖6所示，織構方向對加工刀具溫度和切削力的影響如圖7所示。

(a)無織構

(b)微織構與流屑方向夾角-25°

(c)微織構沿流屑方向

(d)微織構與流屑方向夾角25°

圖7　切削TC4時各微織構對刀具最高溫度

對無織構刀具仿真得刀具最高溫度是900℃、切削合力是1263N。分析圖6、圖7時發現，沿流屑方向微織構刀具切削時刀具最高溫度最低、切削合力最小，其切削合力降低了24.505%；雖然刀具最高溫度相差不大，但根據等溫線分布，可知有效降低了溫度分布，其平均溫度降低了15%。

2.4加工45鋼材料的切削仿真分析

根據上述切削用量和刀具有關參數，對直徑為φ90mm、硬度為HB280的45鋼材料仿真分析得到的仿真溫度云圖如圖8所示，織構方向對加工刀具溫度和切削力的影響如圖9所示。

(a)無織構

(b)微織構與流屑方向夾角-25°

(c)微織構沿流屑方向

(d)微織構與流屑方向夾角25°

對無織構刀具仿真得刀具最高溫度是900℃、切削合力是1872N。分析圖8、圖9時發現，沿流屑方向微織構刀具切削時刀具最高溫度最低、切削合力最小，其切削合力降低了34.306%；雖然刀具最高溫度相差不大，但根據等溫線分布，可知有效降低了溫度分布，其平均溫度降低了25%。

圖9　切削45鋼時各微織構對刀具最高溫度

2.5加工7050鋁合金材料的切削仿真分析

根據上述切削用量和刀具有關參數，對直徑為φ90mm、硬度為HB194的7050鋁合金材料仿真分析得到的仿真溫度云圖如圖10所示，織構方向對加工刀具溫度和切削力的影響如圖11所示。

對無織構刀具仿真得刀具最高溫度是303℃、切削合力是655N。分析圖10、圖11時發現，沿流屑方向微織構刀具切削時刀具最高溫度最低、切削合力最小，其切削合力降低了18.651%；雖然刀具最高溫度相差不大，但根據等溫線分布，可知有效降低了溫度分布，其平均溫度降低了9%。

(a)無織構

(b)微織構與流屑方向夾角-25°

(c)微織構沿流屑方向

(d)微織構與流屑方向夾角25°

圖11　切削7050鋁合金時各微織構對刀具最高溫度

3　結論

經過微織構刀具對42CrMo、GH4169、TC4、45鋼和7050鋁合金材料的切削仿真分析發現，沿流屑方向微織構模型最有利于降低切削力和刀具溫度，從而延長刀具使用壽命，提高對難加工材料的加工效率。但對其它不同微織構模型的切削性能還有待研究。

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(編輯趙蓉)

Texture Design of Bionic Tribology Tool

DU Hong-yi1,HE Lin1,DU Hong-xing2,MA Ke-jing1,LI Ya-ping1

(1.College of Mechanical Engineering,Guizhou University, Guiyang 550025,China;2. Henan Zhonghong Group Coal Chemical Co., Ltd., Pingdingshan Henan 467045,China)

Design of tool microtexture is based on bionic tribology principle in this paper,then,the cutting model is built,taking 42CrMo,GH4169,TC4,45 steel and 7050 aluminium alloy materials processing for example,the different microtextures have influence on cutting temperatures and cutting forces,which is study employing professional cutting software-Third Wave AdvantEdge, and the study shows that the microtexture model along chip flow direction is the most beneficial to reduce cutting forces and tool temperatures,so that,it provides high efficiency machining difficult-to-cut material with new thought.

bionic tribology;chip flow direction;microtexture;cutting forces; tool temperatures

1001-2265(2016)04-0138-05DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.04.037

2015-05-30

國家自然科學基金項目資助(51265005)

杜宏益(1986—)，男，河南平頂山人，貴州大學碩士研究生，研究方向為現代設計方法， (E-mail)duhongyi1986@163.com；通訊作者：何林(1965—)，男，四川鹽亭人，貴州大學教授，博士生導師，博士，研究方向為先進加工技術及裝備、摩擦與表面工程。

TH122;TG506

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