干切削加工用自潤滑刀具研究進(jìn)展

潘培道，劉孝光，殷韋韋，張國青

（池州學(xué)院 機(jī)械與電子工程系，安徽 池州 247000）

1 引言

在傳統(tǒng)的機(jī)械切削、磨削加工中，通常的作法是利用切削液的冷卻、潤滑作用來提高工件的加工質(zhì)量和延長刀具的使用壽命。研究表明[1]:加工中切削液的費(fèi)用占到了整個加工成本的16%左右，這無疑提高了零件加工的總成本。特別是隨著人們的環(huán)保意識的加強(qiáng)，切削液對環(huán)境造成污染的嚴(yán)重性問題越來越引起人們的重視。因此，開發(fā)環(huán)境友好型的綠色制造工藝——干切削技術(shù)已成為先進(jìn)制造技術(shù)的重要內(nèi)容之一。

但干切削加工引起加工過程中的切削溫度急劇升高，使得刀具磨損加劇，降低了刀具的使用壽命，同時惡化了工件表面加工質(zhì)量。近年來研究者開發(fā)了如液氮冷卻技術(shù)、最小微量潤滑技術(shù)等新工藝[2-3]，但這些工藝技術(shù)因需添加輔助裝置而增加了制造成本，具有一定的局限性。為取得經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的統(tǒng)一，通過對刀具材料進(jìn)行合理的摩擦學(xué)設(shè)計，使得刀具本身具有自潤滑功能，將是解決干切削工藝的有效措施之一。

2 實(shí)現(xiàn)刀具自潤滑功能的方式

所謂自潤滑刀具是指通過對刀具材料進(jìn)行合理的摩擦學(xué)設(shè)計，使得刀具材料的自身就具有一定的潤滑功能。在不使用任何外加潤滑液（劑）時，利用刀具本身具有的減小摩擦和抗磨損作用，從而改善干切削加工過程中的摩擦磨損以及潤滑狀況[4]。利用具有自潤滑功能的刀具進(jìn)行干切削加工，不僅使得加工工藝系統(tǒng)減少了冷卻潤滑系統(tǒng)，降低了生產(chǎn)成本，同時避免了切削液對環(huán)境造成的污染。

綜合目前的研究進(jìn)展，根據(jù)作用機(jī)理，實(shí)現(xiàn)刀具自潤滑功能的方式可歸納為以下三大類：（1）通過在刀具表面制備軟涂層實(shí)現(xiàn)刀具自潤滑；（2）在刀具基體材料中添加固體潤滑劑來實(shí)現(xiàn)自潤滑；（3）利用原位反應(yīng)實(shí)現(xiàn)自潤滑功能。自潤滑刀具分類如圖1所示。

圖1 自潤滑刀具分類

3 常見的自潤滑刀具種類及特點(diǎn)

3.1 軟涂層自潤滑刀具

涂層刀具按照涂層材質(zhì)的不同可分為硬涂層和軟涂層兩種基本類型。所謂軟涂層刀具是指將具有層狀結(jié)構(gòu)的MoS2、WS2等有著優(yōu)良摩擦性能的固體潤滑劑通過磁控濺射等工藝沉積到硬質(zhì)合金或高速鋼刀具基體上，或者在軟涂覆層和基體間加金屬過渡層，形成涂層刀具。利用固體潤滑劑在切削加工過程中形成的膜剪切強(qiáng)度低和粘附力較強(qiáng)的特點(diǎn)，減小刀具-工件、刀具-切屑間的摩擦，從而達(dá)到減小切削力、降低切削溫度和減小刀具磨損的目的，實(shí)現(xiàn)刀具的自潤滑功能。

Fox[5]等通過用MoS2/Ti軟涂層刀具進(jìn)行了未使用切削液的干鉆削孔實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明可顯著提高鉆孔數(shù)量，證明該種刀具具有較好的自潤滑功能作用。趙金龍等用MoS2/Zr軟涂層刀具（基體YT15）MZ-1和未涂層的YT15硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行了干切削性能對比試驗(yàn)： 在 υc=90m/min、ap=0.5mm、f=0.1mm/r的切削條件下加工45號調(diào)質(zhì)鋼（HRC30），得到兩種刀具后刀面的磨損量、前刀面的摩擦系數(shù)分別與切削速度的關(guān)系如圖2、圖3所示[6]，由圖可看出，在切削過程中，涂層刀具的后刀面磨損量及前刀面的摩擦系數(shù)均小于普通硬質(zhì)合金刀，表明軟涂層刀具具有較好的自潤滑功能。

圖2 后刀面的磨損量與切削速度的關(guān)系

圖3 前刀面的摩擦系數(shù)與切削速度的關(guān)系

軟涂層刀具具有較好的自潤滑功能，但在切削過程中若涂層磨損或由于基體與涂層結(jié)合力問題使得涂層脫落則造成涂層得不到補(bǔ)充的問題，所以有學(xué)者[7-8]開始研究制備軟硬復(fù)合涂層刀具，將軟涂層的自潤滑性和硬涂層的耐磨性結(jié)合起來，既實(shí)現(xiàn)了刀具的自潤滑功能，又提高了涂層刀具的使用壽命，這將是涂層刀具的一個重要發(fā)展方向。

3.2 添加固體潤滑劑的自潤滑刀具

此類刀具是指將 MoS2、WS2、CaF2等固體潤滑劑直接添加到基體刀具材料中，受切削過程中的摩擦、擠壓等作用，固體潤滑劑析出，在刀具的前刀面上拖覆形成固體潤滑膜，實(shí)現(xiàn)自潤滑功能。綜合目前的研究，作者根據(jù)刀具基體材料的不同，將此類自潤滑刀具歸納為三種：基于陶瓷基的添加固體潤滑劑的自潤滑刀具、基于硬質(zhì)合金或高速鋼基體的微池自潤滑刀具和微織構(gòu)自潤滑刀具。

（1）基于陶瓷基的添加固體潤滑劑的自潤滑刀具。通過合理的組分設(shè)計和化學(xué)相容性分析，設(shè)計制備出含有固體潤滑劑的自潤滑陶瓷刀具。曹同坤[9]等制備出A12O3/TiC/CaF2自潤滑刀具材料，通過與未添加固體潤滑劑的A12O3/TiC刀具切削鑄鐵和45號鋼的性能對比試驗(yàn)，表明A12O3/TiC/CaF2刀具材料具有較好的減摩抗磨作用。

（2）微池自潤滑刀具。在刀具的刀-屑接觸部位通過特種加工方法加工出微孔陣列，在微孔中添加固體潤滑劑，切削時受熱膨脹、摩擦及擠壓作用，固體潤滑劑被擠壓出微孔，繼而在刀具表面拖覆形成固體潤滑膜，實(shí)現(xiàn)自潤滑。宋文龍等通過有限元分析手段，優(yōu)化確定了微孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用電火花加工方法，在YT14硬質(zhì)合金刀具基體上加工出微孔，在微孔里添加 MoS2、CaF2、石墨（C）等固體潤滑劑，制備出微池自潤滑刀具。研究表明[10-12]：添加MoS2的微池自潤滑刀具與傳統(tǒng)的YT14硬質(zhì)合金刀具在相同的切削條件下切削45號淬火鋼（HRC35-40），三向切削力均約下降了30%左右；切削溫度下降了20%左右；前刀面的摩擦系數(shù)顯著降低；后刀面的磨損量降低了約15%。

（3）微織構(gòu)自潤滑刀具。在刀具的前刀面月牙洼磨損部位利用激光加工出微織構(gòu)，在微織構(gòu)中填充固體潤滑劑，利用固體潤滑劑和微織構(gòu)的雙重減摩抗磨作用，實(shí)現(xiàn)刀具的自潤滑功能。吳澤[13]等采用激光器在YT14刀具的前刀面月牙洼磨損部位加工出分別與切屑流動方向近乎平行和垂直的兩種微織構(gòu)形式，并在微織構(gòu)中添加MoS2固體潤滑劑，制備出微織構(gòu)自潤滑刀具。研究結(jié)果表明：微織構(gòu)自潤滑刀具相較傳統(tǒng)刀具切削力下降、前刀面磨損狀況得到明顯改善，尤以微織構(gòu)形式與切屑流動方向近乎垂直的微織構(gòu)自潤滑刀具效果最佳。

上述三種形式的自潤滑刀具由于固體潤滑劑的加入，或者因?yàn)槲⒖住⑽⒖棙?gòu)的加工方法，將不可避免對刀具的機(jī)械力學(xué)性能產(chǎn)生影響。所以在實(shí)際的工程應(yīng)用中還需注意刀具材料組分的合理匹配、微孔及微織構(gòu)加工方法的選擇和刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化。

3.3 原位反應(yīng)自潤滑刀具

此類自潤滑刀具的作用機(jī)理是通過在切削加工過程中產(chǎn)生的高溫引發(fā)摩擦化學(xué)反應(yīng)，利用原位生成具有潤滑作用的反應(yīng)膜來實(shí)現(xiàn)自潤滑功能。在刀具材料組分設(shè)計時，針對性地找到在高溫下具有潤滑作用的固體潤滑劑，如某些硼化物（ZrB2、TiB2等）在高溫摩擦過程中生成的氧化物潤滑膜，利用其較低的剪切強(qiáng)度和摩擦系數(shù)等特點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)自潤滑，再進(jìn)行物理、化學(xué)相容性等分析，合理設(shè)計出原位反應(yīng)自潤滑刀具材料。此類刀具最適合高速干切削加工。

李彬[14-16]等用熱壓燒結(jié)工藝制備了Al2O3/ZrB2/ZrO2原位反應(yīng)自潤滑刀具材料，系統(tǒng)研究了其高溫氧化特性、摩擦磨損特性和減摩機(jī)理，以及在不同氣氛（N2、空氣）中該刀具的切削性能。結(jié)果表明切削高溫下在刀具表面原位反應(yīng)生成的氧化膜B2O3具有較好的自潤滑性能。

由于在切削過程中原位反應(yīng)的發(fā)生，有可能對刀具的機(jī)械力學(xué)性能產(chǎn)生影響，對其相關(guān)機(jī)理的研究還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

4 結(jié)束語

實(shí)現(xiàn)綠色制造和清潔生產(chǎn)是現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展趨勢，開發(fā)和應(yīng)用具有自潤滑功能的刀具技術(shù)是實(shí)現(xiàn)干切削技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。今后對各種具有自潤滑功能的刀具材料的研究要注重自潤滑功能與刀具的機(jī)械力學(xué)性能的統(tǒng)一，運(yùn)用材料制備中的新技術(shù)、新工藝開發(fā)性價比更好的自潤滑刀具。

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