不同形貌微織構自潤滑陶瓷刀具切削性能的對比

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(1.蘇州工業職業技術學院，蘇州 215104；2. 蘇州大學機電工程學院，蘇州 215006)

0 引 言

在切削過程中，刀具與工件、切屑之間的劇烈摩擦及摩擦產生的高溫是導致刀具使用壽命縮短的主要原因[1]。對刀具的冷卻潤滑方式進行研究后發現，高速切削時潤滑劑可帶走部分因摩擦產生的切削熱，同時能改善刀具與切屑接觸面的摩擦磨損情況[2]。微量潤滑技術作為一種新型的綠色冷卻潤滑方式，在難加工材料的高速加工中得到廣泛應用[3-4]。該技術將壓縮氣體與極微量的潤滑劑進行混合氣化，形成微米級的液滴，然后噴射到加工區進行有效潤滑[5]。但隨著切削速度的提高，微量潤滑形成的潤滑膜在高溫下容易分解和破壞，從而失去潤滑效果。如何形成穩定的潤滑膜，是改善加工區的摩擦狀態，并提高刀具使用壽命的關鍵技術問題[6]。

近年來，摩擦學的相關研究表明，表面織構能改善表面的潤滑狀態，在抗摩減阻、抗黏附及提高表面耐磨性和承載能力等方面有著更為積極的作用[7-9]，這為進一步提高刀具的減摩耐磨性能提出了新的方向。已有研究[10-15]表明，在刀具表面進行合理的織構化處理可改善其表面的摩擦特性，降低切削力和切削溫度，減少刀具磨損，改善抗黏附特性，從而提高刀具的切削性能。表面織構化處理與微量潤滑技術的結合，更有利于潤滑介質的滲入和儲存，從而在刀具表面形成穩定的潤滑膜，以實現更好的減摩抗磨效果。陶瓷刀具因具有硬度高、耐磨性好、化學穩定性強等特點，常用作切削難加工材料的理想刀具，但韌性差、熱導率低的特點使其在加工淬硬鋼等一些難加工材料時的切削性能不是很理想。目前，國內外有關微織構陶瓷刀具的研究多數集中在制備微織構刀具的激光加工工藝方面，而有關采用微織構陶瓷刀具切削淬硬鋼等一些難加工材料的試驗研究報道很少。為此，作者采用激光打標機在陶瓷刀具前刀面加工出微凹坑和微溝槽陣列并填充MoS2固體潤滑劑，制備得到微織構自潤滑刀具；使用此刀具對淬硬鋼進行切削加工，從刀具的切削力、工件表面粗糙度、切屑形貌、刀具的摩擦磨損性能等方面研究了微織構形貌對陶瓷刀具切削性能的影響，為陶瓷刀具表面的設計和選擇提供試驗依據。

1 試樣制備與試驗方法

選用刀片型號為SNGA120408S015256050的Al2O3/TiC陶瓷機夾刀具，采用激光打標機在刀具前刀面易磨損區加工出微凹坑和平行于主切削刃的微溝槽織構。通過改變激光功率(6，9，12，15 W)、打標速度(200，300，400，500 mm·s-1)、打標次數(5，10，15，20次)，加工出多組具有不同表面微織構的刀具；經過微觀形貌對比得到在該陶瓷刀具上加工出最優微織構的工藝參數：激光功率15 W，打標速度500 mm·s-1，打標次數20次，得到槽寬100 μm、間距50 μm的微溝槽陣列和直徑95 μm、間距150 μm的微凹坑陣列，不同刀具的表面形貌如圖1所示。將刀具用丙酮超聲清洗30 min后，在微溝槽和微凹坑中填充MoS2固體潤滑劑并壓緊，制備得到微織構自潤滑陶瓷刀具。

圖1 不同形貌微織構刀具和無微織構刀具的表面形貌Fig.1 Surface morphology of tools with different morphological micro-textures (a-b) and untextured tool (c):(a) micro grooves and (b) micro pits

在CA6140A型車床上進行車削試驗。待加工材料為GCr15軸承鋼棒料，尺寸為φ40 mm×400 mm，經840 ℃機油淬火熱處理，平均硬度達60 HRC，抗拉強度為861.3 MPa，沖擊韌度為28 J·cm-2。刀柄型號為DSBNR 2020 K12，裝夾后刀具前角為-6°，后角為0°，刃傾角為-6°。切削方式為連續干式車削，切削時間為50 s，切削速度vc分別為63，79，100，125，157 m·min-1，進給量f分別為0.08，0.10，0.12，0.14，0.16 mm·r-1，背吃刀量ap分別為0.10，0.15，0.20，0.25，0.30 mm，采用單因素法設計切削參數并進行切削試驗。用Kistler9257B型晶體壓電傳感測力儀測切削力，用SM-1000型三維表面輪廓儀測工件已加工表面的粗糙度，用KYKY-EM3200型掃描電子顯微鏡(SEM)對切屑形貌進行觀察。在切削速度125 m·min-1，進給量0.12 mm·r-1，背吃刀量0.2 mm條件下連續切削20 min后，采用s-4700型冷場發射掃描電鏡觀察微織構刀具前刀面磨損形貌。

2 試驗結果與討論

2.1 不同刀具的主切削力

由圖2可以看出：當切削速度為125 m·min-1，進給量為0.12 mm·r-1時，3種刀具的主切削力均隨背吃刀量的增加呈近似線性增大趨勢；在切削速度為125 m·min-1，背吃刀量為0.10 mm時，隨進給量的增大，無織構刀具的主切削力呈近似線性增大趨勢，微凹坑織構刀具的主切削力呈先減小后增大的趨勢，而微溝槽織構刀具的主切削力呈先增大后減小再增大的趨勢；在進給量為0.12 mm·r-1，背吃刀量為0.10 mm時，無織構刀具的主切削力隨切削速度的增加先增大后減小，微凹坑與微溝槽織構刀具的主切削力隨切削速度的變化趨勢基本相同，呈先減小后增大再減小的趨勢。

由圖2還可以看出，在不同切削條件下，采用微織構陶瓷刀具切削淬硬軸承鋼時的主切削力較采用傳統無織構刀具的均明顯下降，其中微凹坑織構刀具的主切削力平均降低了26.91%，而微溝槽織構的平均下降了15.85%，可知微凹坑織構刀具的主切削力下降得更為顯著。

圖2 不同刀具主切削力隨切削參數變化的關系曲線Fig.2 Relationship curves of main cutting force of different tools vs cutting parameters: (a) changing with cutting depth;(b) changing with feed speed and (c) changing with cutting speed

圖3 不同切削條件下不同刀具加工后工件的表面粗糙度Fig.3 Surface toughness of workpiece cutted with different tools under different cutting conditions

2.2 不同刀具加工后工件表面粗糙度

由圖3可知：當切削速度為125 m·min-1，進給量為0.10 mm·r-1，背吃刀量為0.10 mm時，微凹坑織構刀具和微溝槽織構刀具切削后工件的表面粗糙度比傳統無織構刀具切削后的分別降低了25.54%，20.36%；當切削速度為125 m·min-1、進給量為0.12 mm·r-1、背吃刀量為0.15 mm，以及切削速度為79 m·min-1、進給量為0.12 mm·r-1、背吃刀量為0.10 mm時，微織構刀具對工件表面粗糙度的改善作用不太明顯，切削后工件的表面粗糙度比采用傳統無織構刀具切削后的僅下降了2.9%～7.3%。由此可知，在切削速度較高、進給量和背吃刀量均較小的情況下，微織構刀具對工件表面粗糙度的改善作用較明顯。

2.3 不同刀具加工后的切屑形貌

在不同切削條件下，經相同刀具切削后產生的切屑形貌基本類似，因此以切削速度125 m·min-1，進給量0.12 mm·r-1，背吃刀量0.10 mm時的切屑形貌為例，對比不同刀具切削后的切屑形貌。由圖4可知： 3種刀具切削后產生的切屑形貌較為相似，均為帶狀屑形貌，且切屑兩側呈鋸齒狀，外表面呈周期性流動的粗片層[16]；與無織構刀具切削后的相比，微織構刀具切削后產生的切屑的寬度更寬，粗片層間距更小，且微凹坑織構刀具切削后的切屑粗片層間距比微溝槽織構刀具切削后的更均勻，兩側鋸齒狀輪廓更細密，這說明微凹坑織構刀具產生的切屑被剪切的次數更多，剪切角更大，切屑變形程度明顯小于微溝槽織構刀具和無織構刀具切削后的。

圖4 相同切削條件下不同刀具切削后切屑的微觀形貌Fig.4 Micromorphology of chip after cutting with different tools under the same cutting condition: (a) micro groove textured tool;(b) micro pits textured tool and (c) untextured tool

圖5 相同切削條件下不同刀具前刀面的磨損形貌Fig.5 Wear morphology of rake face of different tools under the same cutting condition: (a) micro groove textured tool;(b) micro pits textured tool and (c) untextured tool

2.4 不同刀具前刀面的磨損形貌

由圖5可知：在切削速度125 m·min-1，進給量0.12 mm·r-1，背吃刀量0.20 mm條件下切削20 min后，3種刀具前刀面均存在中間寬兩邊漸窄的月牙洼磨損帶，磨損區域主要集中在刀尖過渡圓弧負倒棱處，且與切削刃直接相連。無織構刀具前刀面存在較多的黏著物，黏結和擴散現象較為明顯[17]，且月牙洼磨損帶的長度最長，深度最深；微凹坑織構刀具前刀面月牙洼磨損帶的輪廓比微溝槽織構刀具的更淺，長度更短，其磨損程度明顯小于微溝槽織構刀具和無織構刀具的；由于固體潤滑劑的作用，微織構刀具前刀面僅伴有少量的黏結現象，抗黏結性能明顯優于無織構刀具的。不同切削條件下觀察到的刀具前刀面磨損形貌略有不同，但對比相同條件下的可以發現，微凹坑織構刀具表現出了更好的抗黏減摩效果，這是由于微凹坑織構的持續存儲、容納磨屑和潤滑劑的性能優于微溝槽織構的。

2.5 討 論

由上述試驗結果可知，與傳統無織構刀具相比，采用微織構自潤滑刀具切削淬硬軸承鋼時，可有效降低主切削力，改善工件已加工表面質量，減小切屑變形，減緩刀具前刀面的磨損程度。經分析認為，這主要歸因于微織構與刀具前刀面自潤滑的雙重作用。由金屬切削理論[18]可知，主切削力Fz可近似表示為

(1)

Ff=Arτc=αwlfτc

(2)

式中：Ff為切削摩擦力；β為摩擦角；γ0為刀具前角；αw為切削寬度；lf為刀/屑接觸長度；τc為刀/屑接觸面的平均剪切應力。

由式(1)和式(2)可以看出，主切削力與刀/屑接觸長度和平均剪切應力成正比。微織構的存在使刀/屑接觸面積及接觸長度變小，而織構中填充的MoS2固體潤滑劑在切削力、切削熱及摩擦力的作用下被擠出并涂覆在刀具與切屑的接觸面上，形成固體潤滑膜，降低了平均剪切應力，使切削摩擦力減小，從而降低了主切削力[19]。

此外，在微織構與潤滑劑的共同作用下，刀具與切屑的接觸長度減小，平均摩擦因數減小，摩擦角減小。由李和謝弗公式可知，當刀具前角一定時，減小摩擦角可使剪切角增大，從而導致切屑變形系數減小。采用微織構刀具切削時，刀/屑摩擦力的減小有利于切屑的卷曲及斷裂，這樣可帶走更多的切削熱，使切屑不易黏結在微織構區域，從而提高了刀具的抗黏結性能。填充在微織構中的潤滑劑使刀具與冷卻介質的接觸面積增大，切削溫度降低，這在一定程度上降低了刀具切削刃和前刀面的磨損速率，提高了刀具的耐磨性能，并有效提高工件加工表面的質量[20]。

不同形貌表面微織構對刀具切削性能的影響不同，其中微凹坑織構刀具比平行于主切削刃的微溝槽織構刀具表現出更佳的切削性能。分析認為，在摩擦過程中，由于微凹坑織構的持續存儲和容納磨屑及潤滑劑的性能優于微溝槽織構的，因此微凹坑織構刀具前刀面上的大部分凹坑被填滿，導致其與工件表面的有效接觸面積小于微溝槽織構刀具的，減少了切屑背面犁溝的數量，從而使刀具與工件間的黏結和磨粒磨損程度相對較小[21]。同時，微凹坑織構具有各向同性的特點，這也使得微凹坑織構刀具表現出更佳的抗黏減摩效果[22]。

3 結 論

(1) 在不同切削條件下，采用微凹坑織構陶瓷刀具切削淬硬軸承鋼時的主切削力較采用傳統無織構刀具的平均降低了26.91%，而微溝槽織構的平均下降了15.85%。

(2) 在切削速度較高、進給量和背吃刀量均較小的情況下，采用微織構刀具切削后工件的表面粗糙度較采用無織構刀具的明顯下降，當切削速度為125 m·min-1，進給量為0.1 mm·r-1，背吃刀量為0.10 mm時，微凹坑織構刀具切削后的下降了25.54%，微溝槽織構刀具切削后的下降了20.36%。

(3) 微織構刀具和無織構刀具切削后產生的切屑均為帶狀屑，兩側呈鋸齒狀，外表面呈周期性流動的粗片層；與無織構刀具切削后的相比，微織構刀具切削后產生的切屑更寬，粗片層間距更小，且微凹坑織構刀具切削后的切屑粗片層間距比微溝槽織構刀具切削后的更均勻，兩側鋸齒狀輪廓更細密，其切屑變形程度明顯小于微溝槽織構刀具和無織構刀具切削后的。

(4) 微織構刀具和無織構刀具前刀面均存在中間寬兩邊漸窄的月牙洼磨損帶，磨損區域主要集中在刀尖過渡圓弧負倒棱處；微凹坑織構刀具前刀面的磨損程度明顯小于微溝槽織構刀具和無織構刀具的；微凹坑織構刀具比微溝槽織構刀具表現出更佳的切削性能。