一種刀具表面階梯型微織構的作用機理分析

張 娜，楊發展，劉緒超，姜芙林

（青島理工大學機械與汽車工程學院，山東 青島 266250）

1 引言

鋁合金作為一種重要的輕合金材料，具有強度高、結構輕、抗沖擊、結構穩定等突出的優點，已被廣泛應用于航空航天、車輛交通、航海船舶等行業的制造和生產中[1]。然而，鋁合金熔點較低，在切削過程中，切屑在較高的溫度和壓力下，容易軟化粘附的刀具表面，造成刀具粘結磨損嚴重，大幅影響刀具的使用壽命[2]。

為了提高刀具的使用壽命和切削性能，國內外學者從不同角度對刀具進行了優化提升，目前主要從刀具材料的選擇和優化、刀具結構的設計和改善、切削液成分的改良、刀具表面涂層和微織構技術的設計這四個方面進行研究[3]。其中將基于仿生學提出的微織構應用到刀具切削加工中，可顯著提高刀具表面的接觸性能，提高刀具壽命，現已成為當今研究的熱點。常見的微織構主要包括凹坑狀[4]、溝槽狀[5]、凸包狀[6]三種類型，其中凹坑狀織構目前研究的較多也是一個研究熱點，文獻[7]在45#鋼表面加工出不同面積占有率的微凹坑織構進行摩擦磨損實驗，發現微凹坑織構的存在減小了摩擦系數波動范圍，減小了接觸面磨損面積，降低了表面磨損率。文獻[8]在刀具前刀面加工出微凹坑織構，同時借助固體潤滑劑MoS2填充凹坑，設計制造自潤滑微織構刀具，進行切削45#鋼實驗。結果表明，微織構自潤滑刀具在降低切削力，減小刀具粘結磨損方面具有明顯的效果，提高了刀具的切削性能，延長了刀具使用壽命和耐用度。文獻[9]在硬質合金刀具表面加工微凹坑織構。進行切削對比實驗，研究發現：表面微凹坑織構的存在，對于提高切削過程的穩定性，減少加工過程中刀具或者工件的振動現象效果顯著。大量研究結果表明，刀具表面存在的凹坑織構作用效果顯著[10]，而織構中凹坑的排列、深徑比和面積占有率是影響織構性能的主要因素[11]。基于上述分析，提出了一種階梯型微凹坑織構刀具，并通過改變凹坑參數進行系列摩擦磨損實驗和系列切削實驗，探究刀具表面加工出階梯型微凹坑織構其存在的作用并揭示其作用機理。

2 材料處理及織構制備

2.1 材料處理

鋁合金選用抗拉強度為310MPa、屈服強度為275MPa、硬度為95HB、型號標記為6061 的材料。硬質合金材料選用YG8，YG8的材料性能，如表1所示。試樣尺寸為（35×35×5）mm。在實驗前將鋁合金和硬質合金刀具用數控超聲清洗器依次在石油醚、無水乙醇中各清洗10min，最后選用自控紅外烘干爐烘干。

表1 YT8材料性能Tab.1 Properties of YT8

2.2 織構制備

階梯狀微凹坑織構的設計，如圖1 所示。大凹坑織構和小凹坑織構間隔排布。改變大凹坑的直徑及深度的織構參數，如表2所示。用聯贏激光生產的Nd：YGA脈沖激光器加工凹坑織構，激光參數為：頻率選擇20Hz、脈沖數設置為20個、功率設置為90W、光斑直徑調整為50μm。激光加工織構機理為高能量瞬間去除材料，在加工出的凹坑織構周圍會產生材料熔融物[12]，對已加工織構的表面進行1200 目砂紙打磨處理，隨后在石油醚、無水乙醇中清洗并進行烘干，放入防塵袋內待后續實驗及觀測處理。

圖1 階梯狀微凹坑織構設計Fig.1 Texture Design of Stepped Micro-Pits

表2 階梯狀微凹坑織構參數Tab.2 Texture Parameters of Stepped Micro-Pits

3 摩擦磨損實驗

3.1 實驗設計

摩擦磨損實驗在立式萬能摩擦磨損試驗機上進行，摩擦實驗原理，如圖2所示。硬質合金塊通過專用夾具固定在下端，在銷試樣上方施加載荷并且銷試樣進行旋轉運動。本實驗所施加載荷F為40N，對磨轉速n為100r/min。對六組不同參數的階梯狀微織構硬質合金分別進行實驗，每組實驗均進行3次，并對實驗測量數據取平均值作為實驗值，所述實驗在切削液潤滑的條件下進行。

圖2 銷盤摩擦實驗原理圖Fig.2 Principle Diagram of Pin-Disk Friction Experiment

3.2 實驗結果及分析

不同參數的階梯型微織構硬質合金表面摩擦系數，如圖3所示。從圖3 中可以看出，硬質合金光滑表面及不同參數階梯型織構表面在和鋁合金銷摩擦時，硬質合金光滑表面整體摩擦系數較大，為0.046，且摩擦過程中摩擦系數波動較大。階梯型微織構硬質合金表面摩擦系數均小于光滑表面，且整體波動較小，六種不同參數的織構中當大凹坑織構直徑為65μm，深度為15μm（即ST-2）摩擦系數最小，為0.026，相對于光滑表面減小43.5%。當大凹坑直徑為75μm，深度為20μm（即ST-3）或者大凹坑直徑為105μm，深度為35μm（即ST-6）時，硬質合金織構表面摩擦系數為0.029，相對與光滑表面減小35.5%，減摩效果也較為明顯。階梯狀微織構硬質合金表面摩擦系數隨著大凹坑織構直徑的增加呈現先減小后增大再減小的趨勢，在大凹坑直徑為65μm取得最小值，在直徑95μm取得最大值。大凹坑直徑參數中減摩效果依次為65μm＞75μm＞105μm＞85μm＞55μm＞95μm。六種參數的階梯型微織構硬質合金表面均能有效的減小摩擦系數，且摩擦系數較為平穩，相對于光滑表面沒有大幅度的起伏。凹坑織構的作用機理，如圖4 所示。在切削液潤滑的條件下，凹坑織構一方面能有效的存貯切削液，在硬質合金和鋁合金表面開始相對運動時，凹坑織構能夠容留摩擦過程中產生的磨屑，并向接觸表面提供潤滑液，在摩擦副表面形成連續的潤滑膜。另一方面，當切削液流過織構時，由于橫截面積的改變，先后產生收斂間隙和發散間隙，生成較大的壓力差，產生動壓潤滑效應，以此降低了兩表面間的摩擦系數。凹坑參數不同時，摩擦系數不同，這是因為不同參數的凹坑表現出不同的油膜承載能力，根據研究當織構參數在一定的深徑比時油膜承載能力最強[13]，而不是單一的隨著織構參數的增加或減小作用效果越好。

圖3 硬質合金表面摩擦系數Fig.3 Surface Friction Coefficient of Cemented Carbide

圖4 凹坑織構作用機理示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Mechanism of Pit Texture

對磨后的鋁合金銷磨損量，如圖5所示。其中與光滑表面硬質合金對磨的鋁合金銷磨損量為4.25mm3，與凹坑直徑為65μm的階梯型織構刀具表面對磨的鋁合金銷磨損體積為2.54mm3，相對于與光滑表面對磨的鋁合金銷磨損量減少了40.2%。鋁合金銷磨損量的趨勢與摩擦系數相一致，磨損量先減小后增大再減小，在大凹坑直徑為65μm 取得最小值，在直徑95μm 取得最大值，效果依次為：大凹坑直徑65μm＞55μm＞85μm＞105μm＞95μm＞75μm。與六種參數織構表面對磨的鋁合金銷磨損量相對于與光滑表面對磨的鋁合金銷均出現不同程度的減小，這是因為摩擦副中的微織構能起到收集磨屑的作用，減少“三體摩擦”的出現和降低摩擦副間的磨損。

圖5 鋁合金銷磨損量Fig.5 Wear of Aluminium Alloy Pins

4 切削實驗

4.1 切削實驗設計

切削實驗在CA6140型車床上進行，加工方式為連續切削，刀具的主要幾何參數為：前角γ0=10°、后角α0=5°、刃傾角λs=0°、主偏角Kr=45°。切削過程中采用切削液潤滑，切削進給量為f=0.1mm/r，切削深度ɑp=0.2mm，切削速度υ=800r/min，車削時間10min。采用YE5850B 電荷放大器和ADLINK 信號采集器組合的測力儀測量三向切削力。

4.2 實驗結果及分析

刀具切削鋁合金時的三向切削力，如圖6所示。對比各個圖可知，當表面大凹坑織構的直徑為55μm和65μm時，帶有織構的刀具主切削力Fz明顯小于普通刀具，主切削力Fz隨著織構大凹坑直徑的增大呈現先減小后增大再減小的趨勢，當大凹坑直徑為65μm 時獲得最小值，為64.8N，相對于普通無織構的刀具72.3N減小了10.4%。當表面大凹坑織構直徑增加至75μm和85μm時，進給抗力Fx相對于普通刀具有所減小，但主切削力Fz相對于普通無織構的刀具增大了4.4%、19.3%。當表面大凹坑織構直徑為95μm和105μm時，吃刀抗力Fy相對于普通刀具明顯減小，但是主切削力Fz增大了76.9%、39.8%。當凹坑直徑過大時，切屑前刀面的實際接觸長度變大，摩擦更加劇烈，所產生的主切削力更大。當刀具表面織構大凹坑直徑為65μm時，主切削力最小。

圖6 刀具切削力Fig.6 Cutting Force of Cutter

切削鋁合金時的切屑形貌，如圖7所示。圖7（a）中普通刀具切削時產生長度高達10cm的帶狀切屑，增大了切屑與前刀面的接觸長度，加劇了刀具前刀面與切屑間的磨損。并且因為鋁合金材質較軟，容易在刀具表面粘結，將會嚴重影響刀具的使用壽命，降低切削效率，影響被加工工件質量。圖7（b）中織構刀具切削鋁合金時產生了碎屑，此種切屑長度較短，不易纏繞在工件及刀具上，刀具表面凹坑織構的存在減小了切屑與前刀面的接觸面積，能夠降低切削力和切削溫度，減少刀具磨損，改善加工表面質量，延長刀具使用壽命。

圖7 切屑形貌Fig.7 Shape of Chips

5 結論

（1）當硬質合金織構表面大凹坑織構直徑為65μm、深度為15μm時，在相同的摩擦條件和時間內，表面織構的減摩降磨效果最為明顯，相對于光滑表面其摩擦系數減小了43.5%，與之對磨的鋁合金銷的磨損量減小了40.2%。

（2）硬質合金表面階梯型織構能有效改善摩擦副間的摩擦性能，不同的凹坑參數減摩效果不同，減摩效果優劣程度依次為：大凹坑直徑65μm＞55μm＞85μm＞105μm＞95μm＞75μm。

（3）表面帶有織構的刀具優化了切屑的微觀形貌和類型，改善了刀具前刀面的摩擦狀況。當織構刀具表面大凹坑織構直徑為65μm，深度為15μm時，主切削力相對于無織構的普通刀具減小了10.4%。

（4）研究發現，刀具表面的階梯狀微織構能有效補充摩擦表面的潤滑液并產生動壓潤滑效應，起到減摩降磨的作用，改變切屑類型，改善刀具的磨損狀況，提高刀具壽命。