表面微織構(gòu)麻花鉆干鉆削45鋼的鉆削性能研究*

鄧大松，郭旭紅，沈翔宇,陸歷歷,郭大林

(蘇州大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215006)

表面微織構(gòu)麻花鉆干鉆削45鋼的鉆削性能研究*

鄧大松，郭旭紅，沈翔宇,陸歷歷,郭大林

(蘇州大學(xué) 機電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215006)

現(xiàn)代摩擦學(xué)認(rèn)為合理的微織構(gòu)表面具有更好的抗磨減摩性能。針對麻花鉆在鉆削過程中磨損嚴(yán)重問題，提出在高速鋼麻花鉆的前刀面加工出不同尺寸參數(shù)的溝槽型表面微織構(gòu)，并進(jìn)行干鉆削45鋼試驗，分析微織構(gòu)寬度和間距對表面微織構(gòu)麻花鉆鉆削性能的影響。結(jié)果表明：表面微織構(gòu)的存在能夠有效地降低鉆削力，增大鉆屑卷曲，同時也能捕捉和容納細(xì)小鉆屑，減緩鉆頭的磨損?？棙?gòu)寬度對麻花鉆的鉆削性能影響較大，當(dāng)織構(gòu)寬度為100μm時麻花鉆鉆削性能表現(xiàn)最優(yōu)，過大的織構(gòu)寬度會造成鉆削力上升，鉆屑纏繞和粘結(jié)在麻花鉆表面等負(fù)面效應(yīng)。適度減小溝槽間距、增加溝槽數(shù)量能夠提高表面微織構(gòu)麻花鉆的鉆削性能。

表面微織構(gòu)；高速鋼麻花鉆；微織構(gòu)尺寸參數(shù)

0 引言

現(xiàn)代仿生學(xué)和摩擦學(xué)提出將平整的材料表面加工成具有規(guī)則造型的非光滑微織構(gòu)表面，是一種能夠有效改進(jìn)表面摩擦性能的措施，大量的研究證實表面微織構(gòu)在不同條件下分別起到提高表面承載能力、存儲潤滑劑提供潤滑和捕獲存儲細(xì)小磨粒等作用[1]。近十幾年來，國外學(xué)者發(fā)現(xiàn)表面微織構(gòu)能夠有效地提高刀具的切削性能，減小刀具的磨損[2-5]。Sugihara T等[6]認(rèn)為表面微溝槽型織構(gòu)的存在能夠減緩刀具磨損，微織構(gòu)寬度對刀具的耐磨性具有較大的影響。國內(nèi)研究方面，鄧建新等[7-8]在硬質(zhì)合金和陶瓷材料車刀表面加工微織構(gòu)并在織構(gòu)中添加潤滑劑制成織構(gòu)自潤滑刀具，研究發(fā)現(xiàn)這種刀具能夠提供有效地潤滑效果，減小刀具的磨損。符永宏等[9]研究發(fā)現(xiàn)溝槽型織構(gòu)的間距越小刀具的抗粘性能越好，織構(gòu)的方向?qū)Φ毒咝阅苡绊戄^大，不恰當(dāng)?shù)目棙?gòu)間距和方向會顯著增大刀具的磨損。楊超等[10]提出織構(gòu)化表面的三維表征參數(shù)與車刀切削性能之間的關(guān)聯(lián)性，分析了不同三維參數(shù)凹坑織構(gòu)對車刀的切削性能影響。于占江等[11]進(jìn)行微織構(gòu)車刀高速微車削SUS304不銹鋼的試驗，試驗結(jié)果表明微織構(gòu)的置入能夠有效提高刀具表面摩擦性能和切削性能。目前對于表面織構(gòu)刀具的研究雖處于起步階段，但現(xiàn)有的研究成果均證明了表面織構(gòu)是改善刀具表面摩擦性能和切削性能的一個有效途徑。國內(nèi)外學(xué)者主要以平面車刀為研究對象，對旋轉(zhuǎn)刀具的表面織構(gòu)化研究尚少。

麻花鉆作為孔加工的常用工具，由于受結(jié)構(gòu)、制造和刃磨的限制，過快的鉆頭磨損嚴(yán)重制約了加工材料表面質(zhì)量和加工效率的提高。因此急需發(fā)展麻花鉆的新型結(jié)構(gòu)，并對其鉆削過程、鉆頭磨損機理和鉆削加工性能進(jìn)行深入研究。T D Ling等[12]利用皮秒激光在麻花鉆的副后刀面制備溝槽型微織構(gòu)，并進(jìn)行鉆削鈦合金試驗，研究結(jié)果表明副后刀面的織構(gòu)能夠有效地減少鈦合金的附著，從而提高麻花鉆的壽命。高煥煥[13]在麻花鉆的前刀面設(shè)計了不同類型的表面微織構(gòu)，研究表明織構(gòu)的存在能夠有效減小鉆削力、鉆削溫度和鉆頭磨損，溝槽型表面微織構(gòu)的性能最優(yōu)。

針對目前國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，利用激光加工技術(shù)在麻花鉆的前刀面制備不同寬度和間距的溝槽型微織構(gòu)，進(jìn)行干鉆削45鋼試驗，對比不同參數(shù)表面微織構(gòu)麻花鉆的鉆削力、鉆屑形態(tài)和鉆頭磨損，研究織構(gòu)參數(shù)對表面微織構(gòu)麻花鉆鉆削性能的影響。

1 鉆削試驗

1.1 麻花鉆前刀面織構(gòu)化

試驗麻花鉆選用上海工具廠生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)高速鋼麻花鉆，鉆頭直徑為10mm。鉆頭幾何角度：螺旋角30°，頂角118°，橫刃斜角55°。在麻花鉆的前刀面設(shè)計不同織構(gòu)寬度和織構(gòu)間距的溝槽型微織構(gòu)，微織構(gòu)方向垂直于主切削刃，深度為50μm。4種不同織構(gòu)寬度的表面織構(gòu)麻花鉆編號分別為TK1、TK2 、TK3和TK4，4種不同溝槽間距的表面織構(gòu)麻花鉆編號分別為TJ1、TJ2、TJ3和TJ4，傳統(tǒng)無織構(gòu)麻花鉆編號為T0，詳細(xì)微織構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 微織構(gòu)尺寸參數(shù)

1.2 表面微織構(gòu)麻花鉆制備

利用蘇州天弘激光股份有限公司生產(chǎn)的光纖激光打標(biāo)機在標(biāo)準(zhǔn)高速鋼麻花鉆的前刀面加工表面微織構(gòu)，每種參數(shù)的表面微織構(gòu)麻花鉆制備3把。光纖激光打標(biāo)機的波長為1064nm，脈沖寬度為60μs。在加工過程中，激光加工工藝參數(shù)(激光加工功率、激光加工頻率、激光掃描速度和激光掃描次數(shù))對微織構(gòu)尺寸和表面形貌有較大的影響，通過不斷地試加工，最終加工時采用的激光加工工藝參數(shù)如表2所示。加工完成后使用超聲波清洗機清洗15min，清洗溶液為無水乙醇。待干燥后使用VHX-1000超景深三維顯微鏡觀察表面微織構(gòu)麻花鉆的形貌和尺寸參數(shù)。圖1a為表面微織構(gòu)麻花鉆TK2的表面形貌圖，由圖1b可見微織構(gòu)寬度約為100.02μm，間距約為100.03μm，由微織構(gòu)三維形貌圖1c可見微織構(gòu)深度約為50.82μm。

表2 激光加工工藝參數(shù)

(a)表面微織構(gòu)麻花鉆 (b)微織構(gòu)二維表面 (c)微織構(gòu)三維形貌TK2(20×) 形貌(200×) 圖1 表面微織構(gòu)麻花鉆TK2表面形貌

1.3 試驗方法

在哈斯立式加工加工中心VF-1上進(jìn)行表面微織構(gòu)麻花鉆干鉆削45鋼的鉆削試驗，工件尺寸為70mm×70mm×70mm。利用Kistler-9257B型測力儀測量鉆削過程中的鉆削力。試驗裝置如圖2所示。試驗中鉆削參數(shù)為：機床轉(zhuǎn)速n=800r/min，進(jìn)給量f=0.1mm/r，鉆削深度h=15mm。

將每把麻花鉆鉆40個孔后使用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察各麻花鉆前后刀面的表面形貌，測量麻花鉆的后刀面磨損量。

圖2 鉆削試驗裝置示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 鉆削力

鉆削力主要來源于工件材料的變形抗力，以及鉆頭和鉆屑、工件間的摩擦力。鉆削過程主要包括鉆入階段、鉆中階段和鉆出階段。當(dāng)麻花鉆完全鉆入工件后，即鉆中階段時鉆削力趨于平穩(wěn)，因此取平穩(wěn)階段的數(shù)值計算平均鉆削力。圖3是在試驗條件下利用測力儀測量的傳統(tǒng)無織構(gòu)麻花鉆干鉆削45鋼的軸向鉆削力圖，其平均鉆削力為1541N。

圖3 傳統(tǒng)無織構(gòu)麻花鉆鉆削力

圖4為不同織構(gòu)寬度的表面微織構(gòu)麻花鉆與傳統(tǒng)麻花鉆的鉆削力對比圖。由圖可見，在試驗條件下，所制備的不同寬度的表面微織構(gòu)麻花鉆在鉆削過程中鉆削力與傳統(tǒng)麻花鉆相比均有不同程度的降低，其中寬度為100μm的TK2表面微織構(gòu)麻花鉆鉆削力降低最明顯，降低了26.4%左右，TK1、TK3和TK4分別降低了約8.2%、9.8%和7.7%。隨著微織構(gòu)寬度的增加，鉆削力先減小后增加，說明在合理的織構(gòu)寬度范圍內(nèi)適量增加織構(gòu)寬度，可以進(jìn)一步減小鉆屑與麻花鉆前刀面之間接觸面積，減小刀—屑間的摩擦力，從而減小鉆削力。但過大的織構(gòu)寬度則會帶來麻花鉆前刀面表面粗糙度增加、表面承載面積過小、鉆頭強度降低等負(fù)面作用，鉆屑在麻花鉆前刀面流動過程中，過大的織構(gòu)邊緣形成新的切削刃對鉆屑造成了“二次切削”[14]，刀—屑間的摩擦力增大，鉆削力增大。因此只有在合理范圍內(nèi)的織構(gòu)寬度才能有效地起到減小鉆削力的作用。

圖4 不同織構(gòu)寬度表面織構(gòu)麻花鉆鉆削力

圖5為不同織構(gòu)間距的表面微織構(gòu)麻花鉆與傳統(tǒng)麻花鉆的鉆削力對比圖，與傳統(tǒng)無織構(gòu)麻花鉆相比，表面微織構(gòu)麻花鉆TJ1、TJ2、TJ3和TJ4的鉆削力分別降低了約31.5%、26.4%、25.4%和26.6%。隨著織構(gòu)間距的增加，鉆削力略有增加，但變化的幅度較小。分析可能的原因是隨著織構(gòu)間距的增加，織構(gòu)區(qū)域的溝槽數(shù)量逐漸減少，在鉆屑流動過程中與麻花鉆表面接觸面積增大，從而導(dǎo)致鉆削力增大。

圖5 不同織構(gòu)間距表面織構(gòu)麻花鉆鉆削力

2.2 鉆屑形態(tài)

圖6是不同麻花鉆在鉆削過程中形成的鉆屑形態(tài)，從圖中可以看出，傳統(tǒng)無織構(gòu)麻花鉆T0的鉆屑呈帶狀，長度較長，卷曲較小。對比不同織構(gòu)尺寸的表面微織構(gòu)麻花鉆和傳統(tǒng)無織構(gòu)麻花鉆的鉆屑形態(tài)，表面織構(gòu)麻花鉆的鉆屑呈錐螺旋形，鉆屑卷曲較大且長度較短。微織構(gòu)寬度越大，鉆屑卷曲越大；寬度為200μm的TK4麻花鉆的鉆屑長度較長且在鉆削過程中纏繞在麻花鉆上。

在鉆削過程中，作用在鉆屑上的任一方向的力矩分量的增加將會使鉆屑在同方向的卷曲增加[15]，織構(gòu)的存在能夠改變鉆屑在麻花鉆螺旋槽中的流動狀態(tài)，織構(gòu)邊緣與鉆屑之間的接觸應(yīng)力促使鉆屑向外卷曲和斷裂，從而起到了斷屑槽的作用。但是過大的織構(gòu)寬度會嚴(yán)重阻礙鉆屑在織構(gòu)區(qū)域的流動，過大的接觸應(yīng)力造成鉆屑背向麻花鉆前刀面運動，減弱麻花鉆螺旋槽的作用，在鉆削過程中，鉆屑纏繞在麻花鉆的外表面，不利于鉆屑的斷裂和排出。

圖6 不同麻花鉆產(chǎn)生鉆屑的宏觀形態(tài)

2.3 麻花鉆磨損分析

圖7為傳統(tǒng)無織構(gòu)麻花鉆的前刀面磨損形貌圖，由圖7a可見，無織構(gòu)麻花鉆前刀面主切削刃附近出現(xiàn)明顯的粘結(jié)現(xiàn)象，圖7b為粘結(jié)區(qū)域放大圖。由于麻花鉆在鉆孔過程中處于半封閉空間，當(dāng)鉆削塑性材料時，主切削刃附近溫度較高，在高溫高壓條件下，鉆屑與麻花鉆表面由于強烈摩擦形成滯留層。無織構(gòu)麻花鉆前刀面區(qū)域放大圖由圖7c所示，由圖可見，無織構(gòu)麻花鉆的前刀面處出現(xiàn)了明顯的犁溝現(xiàn)象，其磨損形式主要為磨粒磨損。

(a)前刀面形貌 (b)粘結(jié)區(qū)域放大圖 (c)前刀面局部區(qū)域放大圖圖7 無織構(gòu)麻花鉆前刀面磨損形貌

圖8為表面微織構(gòu)麻花鉆TK1的前刀面磨損形貌圖，由圖8a可見，表面微織構(gòu)麻花鉆TK1主切削刃附近沒有明顯的粘結(jié)現(xiàn)象。圖8b為主切削刃附近區(qū)域磨損形貌放大圖，與無織構(gòu)麻花鉆相比，表面微織構(gòu)麻花鉆TK1的前刀面犁溝狀的磨損不明顯。觀察發(fā)現(xiàn)當(dāng)鉆削40個孔后麻花鉆邊緣處溝槽已經(jīng)被填平且表面較為光滑，如圖8c所示。分析認(rèn)為表面微織構(gòu)麻花鉆在干鉆削過程中，微織構(gòu)的存在起到了捕捉和存儲細(xì)小鉆屑磨粒的作用，減少磨粒與麻花鉆前刀面的接觸摩擦，從而減輕了麻花鉆前刀面犁溝狀的磨粒磨損。但隨著鉆孔數(shù)量的增加，大量的細(xì)小鉆屑不斷填充在溝槽內(nèi)，最終將使表面微織構(gòu)失去作用。

(a)前刀面形貌 (b)切削刃區(qū)域局部放大圖 (c)微織構(gòu)區(qū)域局部放大圖

圖8TK1麻花鉆前刀面磨損形貌

對比表面微織構(gòu)麻花鉆與傳統(tǒng)麻花鉆在鉆削40個孔后的后刀面磨損圖，如圖9所示。由圖可見，無織構(gòu)麻花鉆T0和表面微織構(gòu)麻花鉆TK3、TK4的鉆尖處存在大量的粘結(jié)，其它微織構(gòu)麻花鉆只有正常的后刀面磨損，鉆尖邊緣處磨損較大。分析認(rèn)為合理寬度和間距的表面微織構(gòu)能夠促使鉆屑卷曲和斷裂，減少了刀—屑之間的接觸面積和接觸時間，鉆屑快速帶走大量的熱，避免了鉆屑粘結(jié)在麻花鉆表面。但是過大的織構(gòu)寬度會阻礙鉆屑的流動速度，造成鉆屑滯留在麻花鉆的切削刃附近，從而在高溫條件下形成粘結(jié)。

圖9 不同麻花鉆的后刀面磨損形貌

測量各麻花鉆鉆削40個孔時的后刀面磨損量，如圖10所示，從圖中可以看出，表面微織構(gòu)麻花鉆的后刀面磨損量與傳統(tǒng)無織構(gòu)麻花鉆相比均有所減小，說明表面微織構(gòu)的置入能夠有效地減緩麻花鉆后刀面的磨損。當(dāng)織構(gòu)寬度增加時，后刀面磨損量先減小后增加，織構(gòu)寬度為100μm左右的表面微織構(gòu)麻花鉆的后刀面磨損量最小；當(dāng)織構(gòu)間距逐漸增加時，后刀面磨損量逐漸增加。

圖10 麻花鉆后刀面磨損量

3 結(jié)論

(1)與傳統(tǒng)無織構(gòu)麻花鉆相比，麻花鉆前刀面表面微織構(gòu)的存在能夠有效地降低鉆削力，增大鉆屑卷曲，減緩麻花鉆表面磨損。

(2)織構(gòu)寬度對麻花鉆鉆削性能影響較大，過大的織構(gòu)寬度會帶來嚴(yán)重的負(fù)面效應(yīng)。當(dāng)微織構(gòu)寬度為100μm左右時，表面微織構(gòu)麻花鉆鉆削性能最優(yōu)。

(3)減小織構(gòu)間距，增加織構(gòu)區(qū)域中溝槽的數(shù)量，能夠進(jìn)一步降低鉆削力，減緩麻花鉆的磨損，提高麻花鉆的鉆削性能。

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DrillingPerformanceoftheSurfaceMicro-TexturedTwistDrillsinDryDrilling45steel

DENG Da-song，GUO Xu-hong，SHEN Xiang-yu，LU Li-li，GUO Da-lin

(College of Mechanical and Electric Engineering, Soochow University, Suzhou Jiangsu 215006, China)

Modern tribology thinks that the reasonable micro-textured surface has better anti-wear and anti-friction performance. In view of the serious wear of twist drill in the drilling process, the surface micro-texture with different dimension parameters on the rake face of the HSS twist drill is proposed. In order to research the drilling performance of the surface micro-textured twist drills and analyze the impact of micro-texture with different groove width and distance, the micro-textured twist drills are tested by dry drilling 45 steel. The experimental results show that the micro-textured twist drill can effectively reduce the drilling force, increase the drilling cuttings curl, capture the small cuttings and slow the abrasion of the drill. The groove width of micro-texture have a great effect on the drilling performance, 100μm is a best groove width. Within a certain range, increasing the groove width is beneficial to improve the drill performance, but oversized width may bring out serious negative effects. It is better to decrease the distance of each groove and increase the number of the micro-texture.

surface micro-texture；HSS twist drill；dimension parameters

TH142;TG713

A

1001-2265(2017)12-0147-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.12.037

2017-02-07

江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化項目(BA2014004)；江蘇省普通高校研究生科技創(chuàng)新項目(ZY32003615)

鄧大松(1992—)，男，南京人，蘇州大學(xué)碩士研究生，研究方向為表面微織構(gòu)麻花鉆，(E-mail)20145249005@stu.suda.edu.cn；通訊作者：郭旭紅(1963—)，男，甘肅天水人，蘇州大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向為高速精密加工技術(shù)，(E-mial)xuhongguo@suda.edu.cn。

(編輯李秀敏)