刀具表面混合型微結(jié)構(gòu)的形狀和密度對潤滑狀態(tài)影響的仿真研究*

(1.南京航空航天大學機電學院 江蘇南京 210016；2.南京天加熱能技術(shù)有限公司 江蘇南京 210046)

表面微結(jié)構(gòu)作為一種有效降低摩擦和減小磨損的手段，在提高表面性能、改善表面接觸和潤滑狀態(tài)等方面有著重要的應用。目前，單一型表面微結(jié)構(gòu)已被成功應用于表面減摩抗磨[1-2]、抗黏附[3-4]、減振[5-6]等，但單一表面微結(jié)構(gòu)在潤滑膜分布和微結(jié)構(gòu)間協(xié)同性方面有一定的局限性。

為了改善帶有表面微結(jié)構(gòu)接觸面的潤滑性能，突破單一型微結(jié)構(gòu)的局限，國內(nèi)外學者展開了混合型表面微結(jié)構(gòu)的研究。朱華等人[7]以內(nèi)燃機活塞-缸套表面為研究對象，設計了0.1、0.3、0.5三種均勻密度微結(jié)構(gòu)以及其組合得到的8種變密度微結(jié)構(gòu)，并進行了摩擦磨損試驗，結(jié)果證明中間低密度兩端高密度的變密度組合可以達到較好的潤滑效果，其中0.3-0.1-0.3的變密度組合在中高載荷下達到最好的潤滑減摩效果。王曉雷等[8]在SiC盤狀摩擦面上分別離子刻蝕了直徑350 μm的圓形凹坑、邊長40 μm的方形凹坑以及2種組合的混合微結(jié)構(gòu)，通過測試其表面摩擦特性發(fā)現(xiàn)，2種凹坑混合的表面極限載荷比無織構(gòu)時提高了2.4倍，這是因為混合后的微結(jié)構(gòu)綜合了大圓形凹坑產(chǎn)生有效流體動壓力和小方形凹坑均勻供水的優(yōu)點。SEGU等[9-10]在GCr15鋼表面分別激光加工了圓和橢圓、圓和三角、圓和正方形3種混合微結(jié)構(gòu)，研究表明，混合型微結(jié)構(gòu)比單一微結(jié)構(gòu)有更低和相對穩(wěn)定的摩擦因數(shù)，且圓和橢圓形狀混合織構(gòu)的減摩特性最好，圓和三角混合織構(gòu)的次之。SUN等[11]在硬質(zhì)合金刀具前刀面上激光加工圓坑和微溝槽的混合微結(jié)構(gòu)，并填充固體潤滑劑進行切削純鐵試驗，發(fā)現(xiàn)2種微結(jié)構(gòu)在工作過程中能儲存潤滑劑，起到了協(xié)同持續(xù)補充潤滑劑的作用，與單一微結(jié)構(gòu)相比明顯降低了切削力和切削溫度，減緩了刀具的磨損。李凱凱[12]在機械珩磨條紋的發(fā)動機缸套表面電解加工圓凹坑和方形形式的混合密度結(jié)構(gòu)，試驗顯示變密度多形狀的試件表面比單一珩磨條紋的試件表面有更好的減摩性能。與單一微結(jié)構(gòu)相比，無論是變密度混合、變形狀混合，還是變形狀變密度的混合，混合型表面微結(jié)構(gòu)都為接觸面提供了更好的潤滑特性，這將有利于降低接觸面間的摩擦因數(shù)，有效減小工作過程中的磨損。

大量的試驗研究已經(jīng)證明了混合型微結(jié)構(gòu)應用在刀具前刀面、發(fā)動機缸套表面等結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢，但通過仿真計算模擬混合型表面微結(jié)構(gòu)的潤滑性能的相關(guān)研究還較少。阮鴻雁等[13]利用CFD數(shù)值分析方法研究了多圓弧形、三角形以及它們混合成的表面結(jié)構(gòu)的動壓潤滑性能，發(fā)現(xiàn)混合微結(jié)構(gòu)的正壓力區(qū)大于單一微結(jié)構(gòu)，負壓力區(qū)小于單一微結(jié)構(gòu)，且綜合作用是正壓力大，能夠產(chǎn)生較好的動壓潤滑。陳馨雯等[14]使用FLUENT軟件對刀-屑接觸面間潤滑流體的流動進行了分析，通過設置不同微結(jié)構(gòu)的面積率、深度和形狀參數(shù)得到了不同潤滑油膜的承載情況，對優(yōu)選微結(jié)構(gòu)及油膜參數(shù)提供了理論指導。尹必峰等[15]針對缸套表面建立了交叉溝槽和槽腔復合的混合微結(jié)構(gòu)潤滑理論模型，模擬計算分析發(fā)現(xiàn)，與單一微結(jié)構(gòu)相比，混合微結(jié)構(gòu)增加了有膜厚度，降低了摩擦功耗，這是基于微結(jié)構(gòu)間的協(xié)同潤滑機制，其中交叉溝槽的潤滑性能比槽腔復合的更好。本文作者針對刀具表面的混合型織構(gòu)開展仿真研究，使用FLUENT軟件對刀-屑界面的潤滑油膜進行流體計算，從而得到不同類型混合微結(jié)構(gòu)的油膜壓強分布、承載以及入口流量情況，對微結(jié)構(gòu)的密度和形狀分布進行優(yōu)選，得到較好的潤滑性能，為實際切削過程中混合微結(jié)構(gòu)降低切削力和溫度、減小刀具磨損提供理論依據(jù)。

1 刀具表面微結(jié)構(gòu)潤滑性能的模型建立

文中使用ANSYS Workbench有限元分析軟件的FLUENT模塊進行流體分析。使用FLUENT進行流體動力學分析需要經(jīng)過剖解求解問題、建立幾何模型、劃分網(wǎng)格、前處理(設置材料屬性、邊界條件等)、求解以及后處理這幾個步驟。文中針對刀-屑界面的潤滑油膜進行FLUENT仿真分析，其中刀具表面具有微結(jié)構(gòu)，利用FLUENT的后處理功能可以分析油膜的潤滑情況，從而優(yōu)選表面微結(jié)構(gòu)的形貌參數(shù)。

難加工材料切削加工中，切屑與刀具前刀面的接觸長度為150～500 μm，文中設計微結(jié)構(gòu)區(qū)域為500 μm邊長的正方形；微結(jié)構(gòu)區(qū)域距離切削刃100～200 μm，從而避免切削刃的強度受微結(jié)構(gòu)的影響[16]，仿真中設計該距離s為150 μm。在考慮壓力分布、承載力和入口質(zhì)量流速等方面時，由于微結(jié)構(gòu)區(qū)域極小，忽略切屑卷曲的曲率影響，油膜上下壁面都為平面結(jié)構(gòu)。油膜的下壁面為固定面與刀具前刀面接觸，油膜的上壁面為移動面(運動速度為v)與切屑接觸，切削時由于切屑流出卷曲，上下壁面間有一定的楔形角，即油膜楔形角θ，楔形發(fā)散方向為潤滑油入口方向，收斂方向為潤滑油出口方向。圖1所示為計算模型，刀具前刀面微結(jié)構(gòu)以6條微溝槽為例，觀察微結(jié)構(gòu)對油膜流場的影響以及微結(jié)構(gòu)間的相互作用，溝槽間隙為c，周期為ω，深度為hg，油膜出口厚度為ho。

設置模型的具體參數(shù)為：間隙c=46.44 μm，周期ω=83.33 μm，深度hg=10 μm，油膜出口厚度ho=10 μm。模型的邊界為微米級，要求的計算精度較高，在Mesh模塊進行網(wǎng)格劃分，選擇四面體形式網(wǎng)格，手動控制劃分條件，以獲得較好的網(wǎng)格質(zhì)量。油膜上下壁面短邊設置為400份，上壁面長邊520份，下壁面長邊劃500份，油膜出口厚度10份，入口厚度25份，微溝槽長度方向150份，寬度方向12份，深度方向隨機。圖2所示為最終生成的網(wǎng)格。根據(jù)劃分好網(wǎng)格的模型，設置潤滑油入口為壓力入口，壓力值取0.5 MPa，潤滑油出口為壓力出口，壓力值取常壓101 350 Pa。油膜上壁面為運動壁面，速度由切屑的流出速度決定，潤滑油的供油流向與切屑流出的方向相反。油膜下壁面為靜止壁面，無滑移無熱交換，其他邊界即為默認值壁面。

圖1 仿真計算模型Fig 1 Simulation calculation model

圖2 網(wǎng)格劃分Fig 2 Meshing

選擇標準k-ε模型進行求解，設置流體材料為單相的潤滑油，密度為900 kg/cm3，黏度為0.019 Pa·s，且不考慮重力作用。離散方程組使用SIMPLE算法，控制方程及松弛因子均為默認值，入口處各方向的初始速度為0。經(jīng)過有限次的迭代求解后，可以得到收斂的結(jié)果，在結(jié)果中統(tǒng)計油膜的潤滑情況。

2 混合型刀具表面微結(jié)構(gòu)的面積率及形狀優(yōu)選

微結(jié)構(gòu)形狀、面積率、深度等都是影響表面微結(jié)構(gòu)潤滑性能的重要參數(shù)，在刀具表面混合不同形狀或面積率的微結(jié)構(gòu)可以更好地提高刀具的減摩性能，目前研究所涉及的混合型微結(jié)構(gòu)形式主要有變密度混合、變形狀混合、變形狀變密度混合等。在單一表面微結(jié)構(gòu)的研究中，已經(jīng)對面積率、深度、形狀以及油膜參數(shù)進行了優(yōu)選，根據(jù)之前的研究結(jié)果[14]，文中針對刀具表面微結(jié)構(gòu)變密度和變形狀混合的面積率和形狀參數(shù)進行優(yōu)選。

2.1 變密度混合微結(jié)構(gòu)面積率的優(yōu)選

在實際的切削過程中，刀具靠近切削刃的區(qū)域磨損程度會大于遠離切削刃的區(qū)域。根據(jù)這種現(xiàn)象，將刀具前刀面從靠近切削刃到遠離切削刃分為3個區(qū)域：重度磨損區(qū)、中度磨損區(qū)、輕度磨損區(qū)。為了更好體現(xiàn)表面微結(jié)構(gòu)的減摩效果，磨損越嚴重的區(qū)域需要設置的微結(jié)構(gòu)密度越大。當微結(jié)構(gòu)的形狀和大小不變時，微結(jié)構(gòu)的密度體現(xiàn)在其分布的面積率上。設定整個微結(jié)構(gòu)區(qū)微結(jié)構(gòu)的平均面積率分別為45%、40%、35%、30%、25%，對每個區(qū)域進行密度組合，如表1所示。每種密度組合的微結(jié)構(gòu)都為長450 μm的溝槽，3個不同的磨損區(qū)分別分布2條微溝槽，周期ω=83.33 μm，深度hg=25 μm，其他參數(shù)同1節(jié)中所述，改變每個磨損區(qū)的溝槽寬度以改變微結(jié)構(gòu)面積率，研究不同密度組合對潤滑性能的影響。其中a類組合相鄰磨損區(qū)之間的平均面積率相差10%，b類組合相鄰磨損區(qū)之間的平均面積率相差5%。

表1 變密度混合微結(jié)構(gòu)的密度組合及其標號Table 1 Density combination and label of variable dense hybrid microstructures

如圖3所示為幾種密度組合織構(gòu)的壓力分布圖，第一行為動壓，第二行為總壓。不同密度組合織構(gòu)的總壓分布有細微差別，但動壓分布有明顯差別，靠近出口處都有一塊壓力略高于周圍的區(qū)域，根據(jù)微溝槽密度的不同，出口處高壓區(qū)的分布形狀不同。

圖3 不同密度組合織構(gòu)對油膜上壁面壓力的影響(Pa)Fig 3 Impact of variable density combination microstructures on the pressure of the upper wall of oil film(Pa)

為了更加清晰地了解總壓的分布情況，對油膜上壁面第三列織構(gòu)中心線處的總壓進行統(tǒng)計，如圖4(a)所示，可以看出各密度組合織構(gòu)的總壓分布基本相同，僅在出口第一排織構(gòu)處呈現(xiàn)出總壓隨著平均密度的降低而降低的情況。對油膜上壁面的壓力進行積分，可以得到上壁面承載力，如圖4(b)所示，a45組合織構(gòu)的靜壓、動壓及入口質(zhì)量流速最大，隨著微結(jié)構(gòu)區(qū)平均密度的下降，靜壓、總壓與入口質(zhì)量流速都減小，且同樣平均密度的b類組合織構(gòu)的靜壓、總壓與入口質(zhì)量流速要比a類組合織構(gòu)的小。動壓承載情況沒有特定的隨平均密度變化的趨勢，要視具體的密度分布情況而定，不同溝槽寬度及分布組合會影響油膜的動壓效果，其中a40的動壓承載最好。

圖4 不同密度組合織構(gòu)對油膜上壁面總壓、承載力及入口質(zhì)量流量的影響Fig 4 Impact of variable density combination microstructures on total pressure(a), bearing capacity and inlet mass flow rate(b) of the upper wall of oil film

考慮到微結(jié)構(gòu)密度過大會影響前刀面和刀尖的強度，因此選擇動壓承載最好、總壓承載及入口質(zhì)量流速情況也較好的a40密度組合織構(gòu)作為變密度優(yōu)選的結(jié)果，其整個微結(jié)構(gòu)區(qū)的平均密度為40%。將其承載和流量情況與40%的單一微溝槽作對比，如圖5所示，變密度混合微結(jié)構(gòu)與單一微結(jié)構(gòu)相比在一定程度上提高了油膜上壁面的承載力，增加了潤滑油的入口質(zhì)量流速，使得刀-屑界面的潤滑性能有所提高。

圖5 優(yōu)選結(jié)果與40%單一織構(gòu)承載力及入口質(zhì)量流速對比Fig 5 Comparison of preferred results with 40% single texture

2.2 變形狀混合微結(jié)構(gòu)的形狀優(yōu)選

近年來，國內(nèi)外研究者針對表面微結(jié)構(gòu)的底面形狀展開了許多研究[17-18]，不同的底面形狀對接觸界面的潤滑情況有著不同的影響，而將不同形狀進行混合可以組合每種形狀在潤滑中的優(yōu)勢。單一表面織構(gòu)的研究中已經(jīng)得到：直溝槽具有較好的動壓承載能力，而波浪形溝槽及方形凹坑具有較好的總壓承載能力。固定微結(jié)構(gòu)區(qū)域的面積率為40%，將直溝槽分別和波浪形溝槽與方形凹坑進行混合，觀察2種組合(如圖6所示)的潤滑情況。

圖6 2種形狀組合織構(gòu)的俯視圖Fig 6 Top view of the combinations of two shapes(a) combination of square grooves and straight grooves; (b)combination of wave grooves and straight grooves

圖7所示為2種形狀組合織構(gòu)的上壁面壓力分布情況，可以看出，2種組合的動壓和總壓分布有所差異，波浪形溝槽與直溝槽混合的組合出口處的動壓更大，且總壓在微結(jié)構(gòu)的中間區(qū)域沿溝槽寬度方向有所波動。

對2種組合的油膜上壁面第三列織構(gòu)中心線處的總壓進行統(tǒng)計，如圖8(a)所示，2種組合的總壓差異不大，僅在出口處第一排處直溝槽與波浪形溝槽混合的總壓大于直溝槽與正方形混合的總壓。圖8(b)所示為2種變形狀組合與面積率40%的單一微結(jié)構(gòu)的對比情況，可以看出，直溝槽與正方形組合后承載能力明顯差于單一直溝槽，而直溝槽與波浪形溝槽的組合綜合了直溝槽動壓承載能力好與波浪形溝槽總壓承載能力好的優(yōu)勢，其承載能力和入口流量情況都較好。

圖7 2種形狀組合織構(gòu)的油膜上壁面壓力的情況(Pa)Fig 7 Pressure on the upper wall of oil film of two shapes(Pa) (a)combination of square grooves and straight grooves;(b)combination of wave grooves and straight grooves

圖8 2種形狀組合織構(gòu)的油膜上表面總壓、承載力及入口質(zhì)量流速Fig 8 Total pressure(a), bearing capacity and inlet mass flow rate(b) on the upper surface of oil film under two shapes

形狀的排布方式對于潤滑效果也有重要的影響，不同的形狀對潤滑液的流動起到不同的導向作用。針對直溝槽與波浪形溝槽的形狀組合進行排布方式的優(yōu)選，2種排布方式如圖9所示，改變2種溝槽與切削刃的相對位置。2種排布方式的油膜上壁面壓強分布情況如圖10所示，排布一的靜壓和總壓分布在沿溝槽寬度方向有一定波動，排布二的總壓分布在沿溝槽寬度方向波動較大，排布一油膜出口處的動壓高于排布二。

如圖11(a)所示，對2種排布的油膜上壁面第三列織構(gòu)中心線處的總壓進行統(tǒng)計，2種排布的總壓值基本相同，僅在出口第一排微結(jié)構(gòu)處有細微差別，排布一先小于排布二又大于排布二。圖11(b)中將2種排布的承載情況和入口質(zhì)量流速進行對比，排布一的承載能力和入口質(zhì)量流速都略高于排布二，則選擇排布一為排布方式的優(yōu)選結(jié)果。

圖9 2種排布方式的俯視圖Fig 9 Top view of two arrangements (a) arrangement 1;(b)arrangement 2

圖10 2種排布方式的油膜上壁面壓力的情況(Pa)Fig 10 Pressure on the upper wall of oil film under two arrangements(Pa) (a)arrangement 1;(b)arrangement 2

圖11 2種排布方式的油膜上表面總壓、承載力及入口質(zhì)量流速Fig 11 Total pressure(a), bearing capacity and inlet mass flow rate(b) on the upper surface of the oil film under two arrangements

微結(jié)構(gòu)在潤滑過程中起到儲藏切屑和存儲并補給潤滑液的作用。研究表明，溝槽在流體潤滑狀態(tài)下比凹坑有著更好的潤滑減摩性能[19]。與凹坑對比，溝槽具有開放的形狀，潤滑液可以直接通過溝槽的端部進入到刀-屑界面，并且溝槽連續(xù)開放的形狀更加有利于切削液平均地分布在刀-屑界面中。而直溝槽的開放形狀同時也使儲存的切削液有流出的風險，而兩端開放中間曲折的波浪形溝槽可以減小這一風險的發(fā)生，對2種形狀進行組合可以實現(xiàn)揚長避短。同時，直溝槽與波浪形溝槽對切削液的導向作用不同，所以，改變它們的相對位置會呈現(xiàn)出不同的承載能力與入口流量情況。

2.3 變形狀變密度刀具表面微結(jié)構(gòu)的潤滑性能

由2.1小節(jié)優(yōu)選的變密度結(jié)果與2.2小節(jié)優(yōu)選的變形狀結(jié)果結(jié)合可以得到變形狀變密度表面微結(jié)構(gòu)，即3個區(qū)域的面積率分別為50%、40%、30%的直溝槽與波浪形溝槽混合微結(jié)構(gòu)，如圖12所示。

圖12 變形狀變密度表面微結(jié)構(gòu)俯視圖

Fig 12 Top view of variable density and shapes of surface microstructures

將2.1節(jié)的變密度混合微結(jié)構(gòu)優(yōu)選結(jié)果和2.2節(jié)的變形狀混合微結(jié)構(gòu)優(yōu)選結(jié)果與變形狀變密度混合微結(jié)構(gòu)進行對比，它們的油膜上壁面壓力情況如圖13所示?？梢钥闯觯冃螤钭兠芏然旌衔⒔Y(jié)構(gòu)的靜壓及總壓在溝槽寬度方向的波動比前2種要大，且油膜出口處的動壓也要大于前2種。

圖13 3種混合微結(jié)構(gòu)的油膜上壁面壓力情況對比(Pa)Fig 13 Comparison of the pressure on the upper wall surface of three hybrid microstructures(Pa)(a)surface microstructure of variable shape;(b)surface microstructure of variable density;(c)surface microstructure of variable shape and density

對3種混合微結(jié)構(gòu)的油膜上壁面第三列織構(gòu)中心線處的總壓進行統(tǒng)計，如圖14(a)所示，圖中加入了與面積率40%的單一溝槽微結(jié)構(gòu)的對比，每種微結(jié)構(gòu)的總壓差異不大，僅在出口第一排處，變形狀變密度混合微結(jié)構(gòu)的總壓大于其他3種微結(jié)構(gòu)。

為了進一步證明變形狀變密度混合微結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，圖14(b)統(tǒng)計了幾種微結(jié)構(gòu)的靜、動、總壓積分和入口質(zhì)量流速。可見變形狀變密度混合微結(jié)構(gòu)綜合了靜、總壓承載能力好，入口流量大的優(yōu)點。對于動壓承載，雖然變形狀變密度混合微結(jié)構(gòu)沒有明顯的優(yōu)勢，但動壓積分的數(shù)量級要比靜壓和總壓積分的小103，即影響極小。綜上，優(yōu)選得到的變形狀變密度混合微結(jié)構(gòu)與單一微結(jié)構(gòu)、僅變密度微結(jié)構(gòu)及僅變形狀微結(jié)構(gòu)相比，具有承載力好，入口流量大的明顯優(yōu)勢，從而可以獲得最好的流體潤滑性能。

圖14 不同微結(jié)構(gòu)對油膜上表面總壓、承載力及入口質(zhì)量流速的影響Fig 14 Impact on total pressure(a), bearing capacity, and inlet mass flow rate(b) under different microstructures

3 結(jié)論

(1)不同的密度組合呈現(xiàn)出不同的動壓潤滑特性，各項承載情況比單一微結(jié)構(gòu)的有所提高，其中重度磨損區(qū)、中度磨損區(qū)、輕度磨損區(qū)分別設置50%、40%、30%的變密度混合微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出最好的動壓承載力。

(2)直溝槽和波浪形溝槽的組合可以綜合直溝槽動壓承載力好與波浪形溝槽總壓承載力好的優(yōu)點，達到較好的承載情況和入口流量。

(3)綜合變密度和變形狀混合微結(jié)構(gòu)的研究結(jié)果，設計變形狀變密度混合微結(jié)構(gòu)，即重度磨損區(qū)、中度磨損區(qū)、輕度磨損區(qū)面積率分別為50%、40%、30%的直溝槽和波浪形溝槽混合微結(jié)構(gòu)，結(jié)果表明變形狀變密度混合型微結(jié)構(gòu)結(jié)合了變密度微結(jié)構(gòu)根據(jù)磨損區(qū)設置面積率和變形狀微結(jié)構(gòu)根據(jù)形狀特點設置形狀及排布的這兩方面設計的優(yōu)勢，更好地發(fā)揮微結(jié)構(gòu)改善刀-屑界面潤滑油膜分布、持續(xù)補充潤滑劑的能力，具有承載力好，入口流量大的明顯優(yōu)勢，從而可降低刀具使用過程中的力和溫度，減小刀具磨損，有利于加工過程的改善和綠色加工的實現(xiàn)。