一种刀具表面阶梯型微织构的作用机理分析

时间：2024-07-28

张娜，杨发展，刘绪超，姜芙林

（青岛理工大学机械与汽车工程学院，山东青岛 266250）

1 引言

铝合金作为一种重要的轻合金材料，具有强度高、结构轻、抗冲击、结构稳定等突出的优点，已被广泛应用于航空航天、车辆交通、航海船舶等行业的制造和生产中[1]。然而，铝合金熔点较低，在切削过程中，切屑在较高的温度和压力下，容易软化粘附的刀具表面，造成刀具粘结磨损严重，大幅影响刀具的使用寿命[2]。

为了提高刀具的使用寿命和切削性能，国内外学者从不同角度对刀具进行了优化提升，目前主要从刀具材料的选择和优化、刀具结构的设计和改善、切削液成分的改良、刀具表面涂层和微织构技术的设计这四个方面进行研究[3]。其中将基于仿生学提出的微织构应用到刀具切削加工中，可显著提高刀具表面的接触性能，提高刀具寿命，现已成为当今研究的热点。常见的微织构主要包括凹坑状[4]、沟槽状[5]、凸包状[6]三种类型，其中凹坑状织构目前研究的较多也是一个研究热点，文献[7]在45#钢表面加工出不同面积占有率的微凹坑织构进行摩擦磨损实验，发现微凹坑织构的存在减小了摩擦系数波动范围，减小了接触面磨损面积，降低了表面磨损率。文献[8]在刀具前刀面加工出微凹坑织构，同时借助固体润滑剂MoS2填充凹坑，设计制造自润滑微织构刀具，进行切削45#钢实验。结果表明，微织构自润滑刀具在降低切削力，减小刀具粘结磨损方面具有明显的效果，提高了刀具的切削性能，延长了刀具使用寿命和耐用度。文献[9]在硬质合金刀具表面加工微凹坑织构。进行切削对比实验，研究发现：表面微凹坑织构的存在，对于提高切削过程的稳定性，减少加工过程中刀具或者工件的振动现象效果显著。大量研究结果表明，刀具表面存在的凹坑织构作用效果显著[10]，而织构中凹坑的排列、深径比和面积占有率是影响织构性能的主要因素[11]。基于上述分析，提出了一种阶梯型微凹坑织构刀具，并通过改变凹坑参数进行系列摩擦磨损实验和系列切削实验，探究刀具表面加工出阶梯型微凹坑织构其存在的作用并揭示其作用机理。

2 材料处理及织构制备

2.1 材料处理

铝合金选用抗拉强度为310MPa、屈服强度为275MPa、硬度为95HB、型号标记为6061 的材料。硬质合金材料选用YG8，YG8的材料性能，如表1所示。试样尺寸为（35×35×5）mm。在实验前将铝合金和硬质合金刀具用数控超声清洗器依次在石油醚、无水乙醇中各清洗10min，最后选用自控红外烘干炉烘干。

表1 YT8材料性能Tab.1 Properties of YT8

2.2 织构制备

阶梯状微凹坑织构的设计，如图1 所示。大凹坑织构和小凹坑织构间隔排布。改变大凹坑的直径及深度的织构参数，如表2所示。用联赢激光生产的Nd：YGA脉冲激光器加工凹坑织构，激光参数为：频率选择20Hz、脉冲数设置为20个、功率设置为90W、光斑直径调整为50μm。激光加工织构机理为高能量瞬间去除材料，在加工出的凹坑织构周围会产生材料熔融物[12]，对已加工织构的表面进行1200 目砂纸打磨处理，随后在石油醚、无水乙醇中清洗并进行烘干，放入防尘袋内待后续实验及观测处理。

图1 阶梯状微凹坑织构设计Fig.1 Texture Design of Stepped Micro-Pits

表2 阶梯状微凹坑织构参数Tab.2 Texture Parameters of Stepped Micro-Pits

3 摩擦磨损实验

3.1 实验设计

摩擦磨损实验在立式万能摩擦磨损试验机上进行，摩擦实验原理，如图2所示。硬质合金块通过专用夹具固定在下端，在销试样上方施加载荷并且销试样进行旋转运动。本实验所施加载荷F为40N，对磨转速n为100r/min。对六组不同参数的阶梯状微织构硬质合金分别进行实验，每组实验均进行3次，并对实验测量数据取平均值作为实验值，所述实验在切削液润滑的条件下进行。

图2 销盘摩擦实验原理图Fig.2 Principle Diagram of Pin-Disk Friction Experiment

3.2 实验结果及分析

不同参数的阶梯型微织构硬质合金表面摩擦系数，如图3所示。从图3 中可以看出，硬质合金光滑表面及不同参数阶梯型织构表面在和铝合金销摩擦时，硬质合金光滑表面整体摩擦系数较大，为0.046，且摩擦过程中摩擦系数波动较大。阶梯型微织构硬质合金表面摩擦系数均小于光滑表面，且整体波动较小，六种不同参数的织构中当大凹坑织构直径为65μm，深度为15μm（即ST-2）摩擦系数最小，为0.026，相对于光滑表面减小43.5%。当大凹坑直径为75μm，深度为20μm（即ST-3）或者大凹坑直径为105μm，深度为35μm（即ST-6）时，硬质合金织构表面摩擦系数为0.029，相对与光滑表面减小35.5%，减摩效果也较为明显。阶梯状微织构硬质合金表面摩擦系数随着大凹坑织构直径的增加呈现先减小后增大再减小的趋势，在大凹坑直径为65μm取得最小值，在直径95μm取得最大值。大凹坑直径参数中减摩效果依次为65μm＞75μm＞105μm＞85μm＞55μm＞95μm。六种参数的阶梯型微织构硬质合金表面均能有效的减小摩擦系数，且摩擦系数较为平稳，相对于光滑表面没有大幅度的起伏。凹坑织构的作用机理，如图4 所示。在切削液润滑的条件下，凹坑织构一方面能有效的存贮切削液，在硬质合金和铝合金表面开始相对运动时，凹坑织构能够容留摩擦过程中产生的磨屑，并向接触表面提供润滑液，在摩擦副表面形成连续的润滑膜。另一方面，当切削液流过织构时，由于横截面积的改变，先后产生收敛间隙和发散间隙，生成较大的压力差，产生动压润滑效应，以此降低了两表面间的摩擦系数。凹坑参数不同时，摩擦系数不同，这是因为不同参数的凹坑表现出不同的油膜承载能力，根据研究当织构参数在一定的深径比时油膜承载能力最强[13]，而不是单一的随着织构参数的增加或减小作用效果越好。

图3 硬质合金表面摩擦系数Fig.3 Surface Friction Coefficient of Cemented Carbide

图4 凹坑织构作用机理示意图Fig.4 Schematic Diagram of Mechanism of Pit Texture

对磨后的铝合金销磨损量，如图5所示。其中与光滑表面硬质合金对磨的铝合金销磨损量为4.25mm3，与凹坑直径为65μm的阶梯型织构刀具表面对磨的铝合金销磨损体积为2.54mm3，相对于与光滑表面对磨的铝合金销磨损量减少了40.2%。铝合金销磨损量的趋势与摩擦系数相一致，磨损量先减小后增大再减小，在大凹坑直径为65μm 取得最小值，在直径95μm 取得最大值，效果依次为：大凹坑直径65μm＞55μm＞85μm＞105μm＞95μm＞75μm。与六种参数织构表面对磨的铝合金销磨损量相对于与光滑表面对磨的铝合金销均出现不同程度的减小，这是因为摩擦副中的微织构能起到收集磨屑的作用，减少“三体摩擦”的出现和降低摩擦副间的磨损。

图5 铝合金销磨损量Fig.5 Wear of Aluminium Alloy Pins

4 切削实验

4.1 切削实验设计

切削实验在CA6140型车床上进行，加工方式为连续切削，刀具的主要几何参数为：前角γ0=10°、后角α0=5°、刃倾角λs=0°、主偏角Kr=45°。切削过程中采用切削液润滑，切削进给量为f=0.1mm/r，切削深度ɑp=0.2mm，切削速度υ=800r/min，车削时间10min。采用YE5850B 电荷放大器和ADLINK 信号采集器组合的测力仪测量三向切削力。

4.2 实验结果及分析

刀具切削铝合金时的三向切削力，如图6所示。对比各个图可知，当表面大凹坑织构的直径为55μm和65μm时，带有织构的刀具主切削力Fz明显小于普通刀具，主切削力Fz随着织构大凹坑直径的增大呈现先减小后增大再减小的趋势，当大凹坑直径为65μm 时获得最小值，为64.8N，相对于普通无织构的刀具72.3N减小了10.4%。当表面大凹坑织构直径增加至75μm和85μm时，进给抗力Fx相对于普通刀具有所减小，但主切削力Fz相对于普通无织构的刀具增大了4.4%、19.3%。当表面大凹坑织构直径为95μm和105μm时，吃刀抗力Fy相对于普通刀具明显减小，但是主切削力Fz增大了76.9%、39.8%。当凹坑直径过大时，切屑前刀面的实际接触长度变大，摩擦更加剧烈，所产生的主切削力更大。当刀具表面织构大凹坑直径为65μm时，主切削力最小。

图6 刀具切削力Fig.6 Cutting Force of Cutter

切削铝合金时的切屑形貌，如图7所示。图7（a）中普通刀具切削时产生长度高达10cm的带状切屑，增大了切屑与前刀面的接触长度，加剧了刀具前刀面与切屑间的磨损。并且因为铝合金材质较软，容易在刀具表面粘结，将会严重影响刀具的使用寿命，降低切削效率，影响被加工工件质量。图7（b）中织构刀具切削铝合金时产生了碎屑，此种切屑长度较短，不易缠绕在工件及刀具上，刀具表面凹坑织构的存在减小了切屑与前刀面的接触面积，能够降低切削力和切削温度，减少刀具磨损，改善加工表面质量，延长刀具使用寿命。

图7 切屑形貌Fig.7 Shape of Chips