石墨烯涂層刀具車削6061鋁合金有限元仿真*

李小康，李 彬，許鹿輝，郝 勇，任睿卓

(1. 洛陽理工學院機械工程學院，河南 洛陽 471023;2. 河南省復合刀具與精密加工國際聯合實驗室，河南 洛陽 471023)

0 引言

隨著現代科學的發展，機械加工行業也逐步邁入高速切削加工時代。以鈦合金、高溫合金和硬質合金為代表的難加工材料[1]因具備優異強度、韌性和低膨脹系數等特點備受工業領域的關注。由于難加工材料這些特性而對切削加工過程中的切削環境和刀具等提出了更高的要求。

在傳統切削加工難加工材料的過程中，切削液的使用不僅能有效降低刀具-工件接觸區的切削熱，改善此區域的摩擦狀態，還能在刀具前刀面形成一層潤滑薄膜，有效改善切削加工環境，減少刀具的磨損[2]。但在高速切削加工過程中，由于刀-屑接觸區的壓力和切向速度分量較大，使得切削液難以抵達切削區，無法起到潤滑和降溫的作用。因此，為應對新的加工環境，將潤滑性能優異的石墨(C)、二硫化鎢(WS2)和二硫化鉬(MoS2)等材料采用相應的技術工藝在硬質合金基體表面沉積，自組裝形成自潤滑刀具[3]，因其具備優異的潤滑特性廣泛應用于高速干式切削或微量潤滑的加工環境。而在目前主要研究的自潤滑刀具中，因涂層材料不具備耐磨性和較高的機械強度往往不適用于連續的高速切削，使得一種新型涂層材料及其制備工藝顯得極為重要。

2004年，英國物理學家Geim和Novoselov運用微機械剝離法成功從石墨塊中分離出石墨烯[4]，從此開辟了二維材料時代的到來。至此之后，大量實驗研究表明單層石墨烯材料具有較強的機械性能[5]、優異的熱力學性能和潤滑性能[6]，恰恰因為石墨烯具備此類優異的特性備受科學家和學者們的關注，一度躍為21世紀最具發展前景的功能/結構材料，而其制備石墨烯的工藝技術也由最初的機械剝離法，催生出碳化硅裂解法、化學氣相沉積(CVD)和磁分散電弧等離子體合成技術等工藝[7-8]。

如今，化學氣相沉積已經成為生長高質量大面積石墨烯的主要技術手段，而學者們則主要通過氣體碳源材料、生長基體材料和生長條件三個方面[9]改性CVD生長石墨烯。近年來，Ramón M E等[10]、Ago H等[11]和Liu K等[12]均在不同程度上以CH4或C2H2作為碳源氣體在鈷(Co)金屬基體表面沉積出單層或多層石墨烯，并在此基礎上研究其反應機理和實驗條件對石墨烯生長的影響，而Liu K等則基于此成功在含15%Co元素的硬質合金(YG15)基體表面沉積出多層石墨烯。盡管孟祥龍等[13]和宋肖肖等[14]將成品片狀石墨烯材料與陶瓷、立方氮化硼和金剛石等超硬材料混合熱壓燒結形成新的超硬復合材料，邢佑強等[15]則采用激光熔敷技術將片狀石墨烯與Ti、Al等金屬混合后形成一種新的復合涂層材料，但由于其過程較為復雜且成品石墨烯價格昂貴等限制，往往無法達到工業大批量生產。而目前尚未記錄將石墨烯作為一種新型的刀具涂層材料應用于切削加工領域，因此，采用化學氣相沉積工藝在硬質合金基體表面生長多層石墨烯，獲得一種新型自潤滑涂層刀具，有望彌補其在連續高速干式切削加工中的不足。

針對高效干切削和微量潤滑加工中潤滑能力不足的難題，有望通過引入石墨烯涂層自組裝結構及界面優化，控制接觸面附近的局部力學性能梯度，改善刀具涂層的抗磨損能力，提供最優的涂層刀具和加工材料匹配的加工參數。本文將使用DEFORM有限元分析軟件，采用對比分析方略研究石墨烯涂層和非涂層硬質合金刀具在不同切削速度條件下，通過分析鋁合金6061工件對應的溫度和應力以及刀具前刀面切削力、切削熱和磨損量，判斷石墨烯涂層能否提高硬質合金刀具的切削性能。

1 FEM有限元仿真模擬

1.1 刀具參數設置

FEM仿真模擬利用三維設計軟件Solidworks2016進行刀具幾何模型建立，牌號TNMG160404HQ1，如圖1所示，將其另存為“.STL” 文件格式并導入DEFORM軟件專用切削加工模塊前處理中，設定刀具類型為剛體，基體材料為carbide(15%Cobalt)，并定義顆粒度參數為2，網格劃分45 000個，在一定的條件下，采用DEFORM-3D對鋁合金6061進行有限元仿真。

圖1 TNMG160404HQ1刀具幾何參數

1.2 涂層和工件材料設置

據研究表明，金剛石刀具適用加工的材料被稱為“非黑色金屬”，因為在加工過程中碳原子與被加工材料中的鐵原子有較好的化學親和力，在一定條件下，金剛石刀具加工鋼鐵材料會很快發生石墨化[16]，導致嚴重的刀具磨損，石墨烯材料和金剛石同屬碳族，均是碳的同素異構體，因此不適用于加工鋼鐵材料。在實際生產加工中，硬質合金刀具和金剛石刀具因具有高強度、高韌性和低熱膨脹系數等特性，廣泛用于鋁合金A6061的高速切削[17]，因此，可將石墨烯涂層刀具應用于加工6061鋁合金。

在DEFORM-3D前處理切削加工模塊加工AL6061(machining)時，刀具-工件接觸區切削力、切削熱等切削性能表征參數與刀具基體材料和涂層材料密不可分，石墨烯作為一種新型涂層材料導入軟件需定義材料楊氏模量、泊松比、熱膨脹系數和熱導率等參數，如表1所示。[18-21]此外，定義多層石墨烯的輻射系數為0.99[22]，待將新材料參數設置完畢后，保存為“.key”文件備用。

石墨烯最早通過機械剝離法從石墨塊中獲得，是單層石墨烯、雙層石墨烯和少層石墨烯的統稱。從熱力學角度論，室溫下10層或更少片層薄片中的每一層均表現為單層石墨烯晶體，而其單層厚度僅為碳原子直徑長度0.35 nm[23]，國際標準化組織(ISO)[24]于2017年首次公布認定真假石墨烯，即當層數小于或等于十層時，可以稱為石墨烯，否則便是石墨。因此在DEFROM前處理模塊中定義刀具表面涂層厚度時，將其層數定義為6層，厚度大約2.1 nm。

表1 多層石墨烯特性參數

1.3 加工參數設置

DEFORM仿真試驗采用非涂層和涂層TNMG160404HQ1刀具，下面分別簡稱T1和T2，并定義涂層材料和厚度如表2所示。此外，將加工過程一共分為4組進行，切削速度、背吃刀量和進給量等切削參數設置如表3所示。此外，設置加工步數為500步，以每10步保存一次。

表2 刀具涂層材料和厚度

表3 切削加工參數

2 結果分析

采用DEFORM-3D后處理器提取工件表面的切削應力和切削熱以及刀具前刀面切削力、切削熱和刀具磨損量，分別提取1步、50步、100步、150步、200步、300步、350步、400步、450步和500步相應數據值，其中每組數據點的第1步數據取DEFORM-3D軟件中-1步點作為初始數據。此外，上述步驟中部分數據點存在失真等情況，按照每10步保存的原則，選取失真點上下10步數據進行分析。

2.1 工件表面數據分析

(1)刀-屑切削區切削熱。切削加工中切削熱[25]主要來源于切削層金屬抗變形耗能和刀-屑切削區摩擦熱能，基于熱傳導偏微分控制方程運算。

(2)

圖3 工件表面殘余應力

基于式(2)進行推導，忽略進給運動耗能，單位時間內產生切削熱公式如下：

Qc=Fcvc

(3)

式中,Qc為單位時間內切削熱；Fc為切削力；vc為切削速度。并且設置進給量0.3 mm/rev和背吃刀量1 mm，以不同的切削速度進行鋁合金6061的切削加工，并在后處理器中提取工件表面切削熱進行數據分析，如圖2所示。據研究表明，在車削加工中，切屑帶走切削過程大約50%～86%的熱量[26]，切削熱的產生在一定程度上會影響工件尺寸精度、刀具的強度和韌性等，降低切削過程中切削熱的產生對工件以及刀具均具有深遠意義。

圖2 刀-屑切削區切削熱

石墨烯涂層在一定條件下能有效降低刀-屑切削區切削熱。對比4組試驗數據表明，當v=125 m/min時，隨著切削時間的增加，T2刀具表面摩擦因數增加，刀-屑切削區切削熱增加，而在加工200步后，T1和T2刀具刀-屑切削區溫度相差小于10℃。而當v=150 m/min時，T2刀具切削時刀-屑接觸區溫度明顯低于T1，兩者平均溫度相差大約30℃；而隨著切削速度的提高，T2刀具切削性能下降，表現為T1刀具和T2刀具在175 m/min和200 m/min條件下，平均切削熱溫度差值小于10℃。對比上述數據變化發現，當v=150 m/min時，T2的切削性能最好，分析其原因在于6061鋁合金屬于一種高塑性材料的難加工材料，隨著切削速度的增加，材料變形量逐漸變大，切屑未及時脫離工件而產生熱量集中，而T1由于其材料硬度和韌性等均低于T2，隨著刀-屑接觸區溫度的提高加劇刀具磨損，在無涂層的保護作用下提前失效。

(2)工件表面殘余應力。在加工參數進給量0.3 mm/rev和背吃刀量1 mm不變的前提下，以不同的切削速度進行鋁合金6061的切削加工，并在后處理器中提取工件表面殘余應力進行數據分析，如圖3所示。

石墨烯涂層在一定條件下能有效降低工件表面殘余應力。對比4組試驗表明，當v=125 m/min時，T2刀具切削過程中于工件表面產生的平均殘余應力值大于T1，且兩者的平均殘余應力值相差20 MPa；當v=150 m/min時，T2刀具切削過程穩定，工件表面殘余應力值低于T1切削加工250 MPa。而T2刀具隨著切削速度的增加，T2刀具切削過程出現非穩定狀態，切削力變化較大，工作過程并不平穩，表現為T2刀具和T1刀具在v=175 m/min和v=200 m/min條件下，工件表面殘余平均應力值相差低于50 MPa。對比上述數據變化發現，因為工件表面殘余應力值是切削力和切削熱綜合作用的結果，在切削過程中，隨著切削速度的提高，刀具的切削力將逐漸增大，而切削熱產生的主要與切削力的大小有關。對比圖4發現，在其他參量不變的條件下，T2前刀面切削力較T1更低，可推斷降低工件表面殘余應力是因為石墨烯涂層降低了刀具切削加工過程中的主切削力。

2.2 刀具前刀面數據分析

(1)刀具前刀面切削力。切削力是分析刀具涂層性能的重要指標之一，在其他參數不變的條件下，基于不同的切削速度，研究刀具的主切削力變化，評定石墨烯涂層的切削性能以及最佳切削匹配參數，如圖4所示。

圖4 刀具表面主切削力

在切削加工中，對比4組試驗表明，當v=125 m/min時，T2刀具表面產生的平均切削力比T1刀具大約高20 N，但隨著切削速度的提高，T2刀具切削性能明顯提高，主要表現為當v=150 m/min時，T1刀具前刀面平均切削力比T2大約高100 N，其潤滑性能較T1顯著。

(2)刀具前刀面切削熱。相較于刀-屑切削區熱能來源，刀具前刀面切削熱主要來源于前刀面與切屑、后刀面與已加工表面間的摩擦，在不同的切削加工參數下，刀具表面涂層的潤滑性能和涂層材料性能均對前刀面切削熱值大小產生一定的影響，并對刀具的使用壽命尤為重要，如圖5所示。

圖5 刀具前刀面切削熱

對比4組試驗表明，在v=125 m/min、150 m/min和200 m/min的條件下，T2刀具前刀面最高溫度平均低于T1大約16℃、12℃和16℃，而最低溫度平均低于6℃、10℃和20℃；但在v=175 m/min時， T2刀具前刀面最高溫度高于T1大約20℃，最低溫度大約高23℃。

(3)刀具前刀面磨損。鋁合金6061是一種高導熱系數、低硬度和強度的難加工材料，在生產加工中極易出現刀屑粘刀現象，難以獲得較理想的質量和精度，且對刀具磨損嚴重，而DEFORM-3D采用Usui經驗磨損率模型[27]作為專用模型進行切削加工試驗，其公式如下：

(4)

式中，w為磨損深度；p為界面壓力；V為切削速度；T為界面溫度，a和b為經驗因數。FDM切削加工中輸入a=0.000 000 2，b=650.5，試驗磨損分布圖如圖6所示。

圖6 刀具前刀面磨損分布圖

對比4組試驗表明，在V=150 m/min和V=200 m/min條件下，T2能有效降低刀具前刀面表面磨損量；而V=125 m/min和V=175 m/min條件下，因T2刀具切削力波動較大，失真點較多，導致切削過程不穩定，加劇刀具磨損使其涂層過早失效。

通過分析刀具前刀面的主切削力、切削熱和表面磨損狀況，對其數據變化做出初步的理論分析得出其潤滑機理：通過將自潤滑性能優異的石墨烯納米粒子組裝在刀具基體表面，在特定的工況下，石墨烯潤滑膜的形成減小了刀具的磨損，又由于潤滑膜具有較高的強度和彈性模量而難以被切屑帶走；而當潤滑膜耗損或破裂時，加速自修復粒子向摩擦表面的轉化，進而補償磨損表面，且其轉移膜對已加工工件表面可以起到關鍵的保護作用，有利于提高工件表面質量。

3 結論

針對高效干切削和微量潤滑加工中潤滑能力不足的難題，將自潤滑性能優良的石墨烯粒子組裝到硬質合基體表面，以降低表面自由能，提高刀具的耐磨性能和使用壽命，有望彌補自潤滑涂層在連續高速切削過程中的不足。為進一步研究石墨烯涂層刀具 的切削加工性能，采用DEFORM-3D軟件對6061鋁合金進行切削加工有限元仿真，經前處理、模擬處理和后處理，分別提取工件表面切削熱和殘余應力以及刀具前刀面主切削力、切削熱和磨損量進行數據分析，結論如下：

(1)提出一種新型涂層刀具的設計概念，利用石墨烯納米涂層與基體材料多元互補特性，將自潤滑性能良好的石墨烯粒子組裝在刀具表面，在一定切削加工條件下，石墨烯涂層能有效提高刀具的切削性能，降低前刀面切削力，減少刀具磨損，提高刀具的使用壽命。

(2)一種石墨烯涂層刀具的自潤滑機理。在特定加工工況下，基體表面石墨烯潤滑膜的形成有利于降低切削過程摩擦因數，減少刀具的磨損；而當潤滑膜耗損或破裂時，微納米材料在切削摩擦表面形成一種條件性的自修復，彌補刀具表面的磨損。