切削刀具摩擦磨損的研究方法綜述*＊

張 輝 李桂玉 付 增 唐倩雯 宋輝輝 顏 培

(①中石化勝利油田采油工藝研究院，山東 東營 257000;②東營職業(yè)學(xué)院石油裝備與機(jī)電工程學(xué)院，山東 東營 257000;③清華大學(xué)機(jī)械工程系，北京 100084)

刀具磨損是切削加工過程中刀具失效的主要原因，嚴(yán)重影響著工件的加工質(zhì)量和加工效率［1］。隨著制造業(yè)的發(fā)展，一方面有越來越多的新材料、難加工材料需要加工，另一方面基于環(huán)境保護(hù)的要求，干切削、準(zhǔn)干切削(MQL)技術(shù)減少了切削液的使用對(duì)刀具的耐磨性提出了更高的要求。因此，對(duì)刀具材料的摩擦磨損特性的研究是切削加工研究中十分重要的一環(huán)。

金屬切削尤其是高速切削過程中刀具和工件之間的摩擦具有接觸應(yīng)力高、摩擦溫度高、摩擦表面不斷變化、摩擦狀態(tài)多為干摩擦等特點(diǎn)［2-6］，因此刀具的磨損往往是磨料磨損、粘結(jié)磨損、化學(xué)磨損(氧化、擴(kuò)散和溶解等)、脆性破損和塑性變形等多種形式綜合作用的結(jié)果。許多研究者通過不同的試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法對(duì)刀具的磨損過程進(jìn)行了模擬和研究，常見的研究方法大體可歸為3 大類:切削試驗(yàn)、常規(guī)摩擦磨損試驗(yàn)和特殊試驗(yàn)。本文綜述了目前國內(nèi)外針對(duì)刀具摩擦磨損特性研究中比較前沿的試驗(yàn)方法，以期對(duì)刀具摩擦磨損的研究起到一定的指導(dǎo)作用。

1 切削試驗(yàn)

切削試驗(yàn)是評(píng)價(jià)刀具耐磨性最常用的試驗(yàn)方式，新刀具的開發(fā)以及難加工材料加工時(shí)刀具的選擇，都需要進(jìn)行切削試驗(yàn)［7-9］。目前常見的切削試驗(yàn)方法如圖1 所示。

在切削試驗(yàn)過程中，在機(jī)床上架設(shè)力傳感器測(cè)量各個(gè)方向的切削力;使用熱像儀或者在刀具上埋設(shè)熱電偶，測(cè)量切削區(qū)的溫度;試驗(yàn)完后使用工具顯微鏡測(cè)量刀具前刀面或者后刀面的磨損量;使用掃描電鏡(SEM)等觀察刀具磨損區(qū)域的形貌。試驗(yàn)中利用正交試驗(yàn)或者單因素試驗(yàn)方法，系統(tǒng)地設(shè)定切削速度、進(jìn)給量和背吃刀量，從而獲得不同切削條件下產(chǎn)生的各個(gè)切削參數(shù)，并通過切削力、切削溫度、刀具磨損量等與切削條件的關(guān)系及其變化規(guī)律，分析得出切削刀具磨損的機(jī)理。

通過切削試驗(yàn)來研究刀具的耐磨性無疑可以獲得最為準(zhǔn)確的刀具磨損數(shù)據(jù)，但由于切削是一個(gè)多種因素綜合作用的過程，因此雖然可以控制切削的速度、進(jìn)給量和背吃刀量等條件，但是由此產(chǎn)生的切削力和切削溫度等因素對(duì)刀具磨損的影響程度和影響規(guī)律是十分復(fù)雜的，很難準(zhǔn)確獲得這幾種因素之間的關(guān)系，從而得到令人信服的結(jié)論。因此，可以采取更能精確控制的試驗(yàn)方式來研究刀具的摩擦磨損性能。

2 常規(guī)摩擦磨損試驗(yàn)

摩擦磨損試驗(yàn)是研究材料摩擦學(xué)性能的一種常規(guī)試驗(yàn)手段，在研究刀具材料的摩擦磨損性能時(shí)，通常是將刀具和工件材料分別做成摩擦副，常見的摩擦副材料有采用球-盤、銷-盤及環(huán)-塊等。試驗(yàn)過程中記錄下摩擦力，推算出摩擦系數(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，通過稱重法、體積法等方式計(jì)算磨損量。通過改變不同的載荷、摩擦速度及摩擦距離等試驗(yàn)參數(shù)，獲得不同條件下摩擦系數(shù)與磨損量，從而系統(tǒng)地表征刀具在不同條件下的摩擦磨損性能。

文獻(xiàn)［10 -11］分別采用了圖2 所示的環(huán)-塊摩擦試驗(yàn)機(jī)研究了不同Co 含量和晶粒尺寸的硬質(zhì)合金刀具材料的摩擦磨損特性，系統(tǒng)分析了Co 含量和WC晶粒大小的變化對(duì)硬質(zhì)合金材料摩擦特性及其機(jī)理的影響規(guī)律，建立了較為詳盡的硬質(zhì)合金刀具材料的摩擦磨損圖譜，為硬質(zhì)合金類刀具的設(shè)計(jì)提供了參考。

為了證明摩擦試驗(yàn)的合理性，往往將摩擦試驗(yàn)的結(jié)論與切削試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)照。文獻(xiàn)［12］使用環(huán)-塊摩擦試驗(yàn)機(jī)研究了物理氣相沉積方法制得的ZrN 涂層刀具與淬硬鋼對(duì)磨時(shí)的摩擦磨損特性，獲得了在相應(yīng)試驗(yàn)參數(shù)范圍內(nèi)(摩擦速度0.2～1 m/s，載荷20～100 N)ZrN 涂層的摩擦特性變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明ZrN涂層刀具比其基體YG6 硬質(zhì)合金具備更強(qiáng)的耐磨性，其磨損機(jī)理主要為磨粒磨損。此外，通過車削試驗(yàn)，得到了與摩擦試驗(yàn)類似的結(jié)果，從側(cè)面證實(shí)了摩擦試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性。

高速切削是切削加工重要的發(fā)展方向，因此，研究刀具材料摩擦特性在高速下的變化規(guī)律具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。Kagnaya 等人［13］采用如圖3 所示的高速銷-盤試驗(yàn)機(jī)，研究了硬質(zhì)合金與AISI1045 鋼在摩擦速度從60 m/min 到600 m/min 之間的摩擦特性的變化規(guī)律，試驗(yàn)時(shí)在硬質(zhì)合金銷上安裝熱電偶，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)摩擦所產(chǎn)生的溫度。該裝置直觀地表現(xiàn)出隨著滑動(dòng)摩擦速度的提高，摩擦熱的產(chǎn)生規(guī)律及其對(duì)硬質(zhì)合金磨損機(jī)理的影響規(guī)律。

切削熱/摩擦熱產(chǎn)生的高溫會(huì)使刀具材料的磨損機(jī)理發(fā)生諸如氧化、粘結(jié)、擴(kuò)散等一系列的變化，因此在研究刀具材料在高溫下的摩擦特性也是研究切削摩擦的一個(gè)重要方面。通過在普通摩擦試驗(yàn)機(jī)外增加加熱裝置，是研究高溫摩擦常用的方法，如圖4 所示。該裝置采用銷-盤摩擦副，將鋼盤放在封閉腔內(nèi)，硬質(zhì)合金銷子放在特殊夾具內(nèi)，深入封閉腔中，利用加熱模塊對(duì)密閉腔進(jìn)行加熱，Yang 等人［14］采用該裝置研究了WC-Co 硬質(zhì)合金在室溫至600 ℃的摩擦磨損特性，重點(diǎn)分析了溫度變化對(duì)硬質(zhì)合金高溫摩擦系數(shù)及磨損率的變化規(guī)律。

文獻(xiàn)［15 -17］采用UMT -2 高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了硬質(zhì)合金(200～600 ℃)、Al2O3/TiC 陶瓷(200～800℃)及PCD 刀具(200～700 ℃)的高溫摩擦磨損特性的研究，獲得了摩擦系數(shù)、磨損量隨著溫度等參數(shù)的變化規(guī)律，并通過白光干涉儀、掃描電鏡、X 射線衍射儀器等輔助工具，研究了磨損形貌的演變及氧化產(chǎn)物的產(chǎn)生過程，揭示了這幾種典型刀具材料的磨損機(jī)理隨環(huán)境溫度的變化規(guī)律。

可見，通過摩擦試驗(yàn)的方法，可以在一定范圍內(nèi)精確控制摩擦試驗(yàn)的速度、載荷等條件，建立系統(tǒng)的摩擦磨損圖譜。同時(shí)隨著高速、高溫摩擦試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展，可以更為精確地模擬刀具和工件材料之間的摩擦過程，設(shè)計(jì)出更為接近切削加工實(shí)際的摩擦試驗(yàn)，從而更為準(zhǔn)確地分析刀具材料地在不同環(huán)境條件下的耐磨性能及其在切削過程中的損壞規(guī)律和磨損機(jī)理。

本項(xiàng)目主要需要建立的數(shù)據(jù)庫包括用戶類型庫、讀者積分庫、薦閱書目庫、閱讀闖關(guān)試題組庫、閱讀闖關(guān)試題數(shù)據(jù)庫等等，分別用于存儲(chǔ)用戶信息、讀者積分信息、推薦書目信息以及閱讀闖關(guān)試題信息等。

3 特殊摩擦磨損試驗(yàn)

切削中的摩擦現(xiàn)象具有高溫、高壓以及刀具始終與新鮮表面接觸等特點(diǎn)，對(duì)于常見的摩擦試驗(yàn)機(jī)來說實(shí)現(xiàn)高溫、高壓相對(duì)比較容易，但摩擦副之間往往是固定位置的反復(fù)摩擦，與所謂“新鮮表面”接觸方式不同。因此，許多研究者針對(duì)切削中摩擦現(xiàn)象的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了專門用于研究切削摩擦現(xiàn)象的試驗(yàn)裝置。

最為常見的方法是對(duì)常規(guī)機(jī)床進(jìn)行改造。Yang［18-19］采用在CNC 機(jī)床上設(shè)計(jì)出了銷子可移動(dòng)的銷-盤摩擦副，如圖5a 所示，以低碳鋼、高碳鋼和淬硬工具鋼分別做成摩擦盤，隨機(jī)床主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，硬質(zhì)合金刀具作為銷材料固定在特制的夾具中，在主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)自身可以進(jìn)行滑動(dòng)，這樣就使得刀具材料始終與新鮮的表面接觸。對(duì)比試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，這種摩擦副比相同參數(shù)下銷子固定時(shí)的磨損率有所上升，其主要原因與在摩擦中產(chǎn)生的加工硬化現(xiàn)象有關(guān)。山東大學(xué)的潘永智［20］等人，在CA6140 車床上，用如圖5b 所示的實(shí)驗(yàn)裝置，采用“以磨代車”的方式，研究了WC -12Co 超細(xì)晶粒硬質(zhì)合金與7050 -T7451 鋁合金的高速摩擦磨損性能，獲得了摩擦系數(shù)和摩擦熱隨試驗(yàn)參數(shù)的變化規(guī)律，分析了超細(xì)晶粒的硬質(zhì)合金在鋁合金加工中主要的磨損機(jī)理和磨損規(guī)律。該實(shí)驗(yàn)裝置可以獲得較高的滑動(dòng)速度(700 m/min)和較大的法向載荷(500 N)，較為接近鋁合金的加工工況。

為了最為貼近切削實(shí)際，尤其是保證刀具材料始終與“新鮮”的工件表面接觸，Hedenqvist［21-22］提出了圖6a 所示模型，該模型安裝在車床上，首先對(duì)工件B的外表面進(jìn)行加工，然后用表面有PVD 涂層圓筒A 與B 的外表面進(jìn)行摩擦，同時(shí)工件A 沿著B 軸線方向運(yùn)動(dòng)，達(dá)到始終與新鮮表面接觸的目的。該裝置的摩擦速度可以達(dá)到3 m/min，但是系統(tǒng)的壓力較小，只有15 MPa，遠(yuǎn)低于普通切削加工中接觸應(yīng)力的情況。

Olsson［23］等人設(shè)計(jì)了如圖6b 所示的裝置，并進(jìn)行了高速鋼與AISI4340 高強(qiáng)度鋼的摩擦實(shí)驗(yàn)。首先刀具對(duì)工件進(jìn)行加工，而高速鋼材料制成的銷緊跟著刀具與剛加工過的新鮮表面進(jìn)行摩擦，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)使用這種改進(jìn)型的摩擦試驗(yàn)機(jī)獲得的磨損特性比改進(jìn)前更接近于切削過程的磨損特性，刀具磨損機(jī)理的變化規(guī)律與實(shí)際車削過程較為一致。但是由于銷與加工表面之間接觸面積較大，因此摩擦副之間的接觸應(yīng)力只有15～25 MPa 左右，與實(shí)際接觸應(yīng)力差距明顯。

Zemzemi［24-25］等人使用了類似的系統(tǒng)進(jìn)行AISI4142 鋼與TiN 涂層刀具的摩擦實(shí)驗(yàn)，如圖6c 所示，將工件材料做成圓筒，而硬質(zhì)合金材料制成的銷子緊跟著切削刀具與新加工產(chǎn)生的表面進(jìn)行摩擦。由于銷子的頂端是半球形，因此該系統(tǒng)可以到達(dá)較高的接觸應(yīng)力(3 GPa)和速度(400 m/min)，但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，試驗(yàn)維持的時(shí)間只有10 s 左右，而且試樣的制造較為繁瑣和昂貴。

J.Rech［26-28］等人設(shè)計(jì)了圖7 所示裝置，使用刀具對(duì)工件外表面進(jìn)行車削，隨后在刀架的另一側(cè)安裝由刀具材料做成的銷子并以一定的正壓力與工件外表面接觸，銷子的頂端為半球形，該裝置可以達(dá)到的摩擦速度為50～200 m/min，摩擦接觸應(yīng)力為1～3 GPa。該裝置進(jìn)行了TiN 涂層分別與AISI316L 和AISI4142兩種材料的摩擦磨損試驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)獲得了較為接近實(shí)際的刀具-切屑-工件之間的摩擦系數(shù)，并將之應(yīng)用于有限元分析中，建立了摩擦系數(shù)隨速度、壓強(qiáng)和溫度變化的摩擦學(xué)模型。

可見，上述專門為研究切削刀具的磨損而設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置，從工作原理上更接近于切削摩擦的實(shí)際情況，但是設(shè)備的穩(wěn)定性有所欠缺，且試驗(yàn)所用試樣的準(zhǔn)備過程比較繁瑣，需要進(jìn)一步完善。

4 結(jié)語

切削刀具摩擦特性的研究方法對(duì)新型刀具材料的開發(fā)、刀具與工件之間匹配性的研究起到重要的作用。目前資料可查的研究方法各有側(cè)重點(diǎn)，主要針對(duì)某一方面的問題，對(duì)于這一研究領(lǐng)域筆者認(rèn)為可以在以下方向進(jìn)行發(fā)展:

首先，新型試驗(yàn)設(shè)備的開發(fā)。目前的試驗(yàn)設(shè)備大多為了重點(diǎn)研究某一方面的問題而設(shè)計(jì)，且往往在試驗(yàn)時(shí)間、試驗(yàn)參數(shù)的控制或者試樣的制備上存在難以克服的缺陷，因此需要設(shè)計(jì)原理更貼近切削實(shí)際，穩(wěn)定性更高的試驗(yàn)設(shè)備。嚴(yán)重影響了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一般性和可靠性。

其次，系統(tǒng)開展常見刀具材料摩擦學(xué)特性的研究。目前的工作往往只針對(duì)某種特定的刀具-工件的配合，有必要將典型的刀具與工件材料的配副進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，建立一套系統(tǒng)的刀具-工件的摩擦學(xué)圖譜。

最后，切削摩擦學(xué)理論的建立。目前對(duì)切削摩擦的研究尚集中在試驗(yàn)階段，因此有必要在以后的工作中將摩擦試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)與切削過程的數(shù)據(jù)建立有機(jī)的聯(lián)系，真正實(shí)現(xiàn)通過摩擦學(xué)試驗(yàn)指導(dǎo)刀具選擇與切削加工。

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