基于微磨削方法的微織構(gòu)刀具制備與切削性能研究

梁志強(qiáng)，李蒙招，陳碧沖，周天豐，李世迪，顏培，張素燕，王西彬

（北京理工大學(xué) a.先進(jìn)加工技術(shù)國防重點學(xué)科實驗室 b.醫(yī)工融合研究院c.機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

在金屬切削加工過程中，刀具在局部高溫環(huán)境下與切屑、工件接觸界面發(fā)生磨損，當(dāng)?shù)毒吣p達(dá)到一定程度時，容易引起工件加工精度和表面質(zhì)量的下降，最終導(dǎo)致刀具失效。由機(jī)械、熱磨損引起的刀具快速失效依然是切削加工技術(shù)領(lǐng)域面臨的重要問題[1]。摩擦學(xué)和仿生學(xué)的相關(guān)研究證實，相比光滑表面，具有一定非光滑形態(tài)的摩擦副表面通?？鼓バ阅芨肹2-5]。對摩擦副表面進(jìn)行織構(gòu)化處理可改善其摩擦特性，提高抗粘附性，這為減緩切削加工中的刀具磨損提供了新的思路。人們通過在刀具表面易磨損區(qū)域制備出微織構(gòu)，來延緩刀具磨損，提高刀具的切削性能。

刀具表面微織構(gòu)的制備方法主要有激光加工、電火花加工、離子束加工和磨削加工等[6-9]。對于激光加工法和離子束加工法，其加工效率高，但設(shè)備昂貴，加工表面質(zhì)量差。電火花加工法無法用于不導(dǎo)電材料加工，且加工效率低。微織構(gòu)的磨削加工是利用砂輪在刀具表面磨制出微織構(gòu)，在保證微織構(gòu)加工質(zhì)量方面具有一定優(yōu)勢。

表面微織構(gòu)對刀具切削性能有很大影響，國內(nèi)外許多學(xué)者通過實驗和仿真的方法進(jìn)行了相關(guān)研究和實踐。Rathod等人[10]發(fā)現(xiàn)在進(jìn)行鋁合金切削時，采用線性槽和方形槽微織構(gòu)刀具能降低切削力和改善刀具前刀面的粘結(jié)現(xiàn)象。Kumar等人[11]發(fā)現(xiàn)與切屑流向成一定角度的微織構(gòu)能夠降低摩擦系數(shù)，減少刀具應(yīng)力的產(chǎn)生。于占江等人[12]采用微織構(gòu)刀具進(jìn)行了SUS304不銹鋼的高速微切削試驗，發(fā)現(xiàn)微槽、微坑織構(gòu)有利于降低切削溫度，減少刀屑接觸，改善切屑形態(tài)。洪繼偉等[13]研究了不同結(jié)構(gòu)尺寸的表面微織構(gòu)陶瓷刀具的切削性能，發(fā)現(xiàn)與切削刃平行的橫向微織構(gòu)減摩效果最好。陳匯豐等[14]對梯形槽微織構(gòu)刀具進(jìn)行了有限元切削仿真研究，發(fā)現(xiàn)合理的微織構(gòu)參數(shù)能夠改善刀具和切屑間的摩擦，促進(jìn)刀具的散熱。蘇永生等[15]發(fā)現(xiàn)織構(gòu)化聚晶金剛石刀具在干切削和低溫微量潤滑條件下的抗切屑粘結(jié)效果均優(yōu)于常規(guī)刀具。以上研究表明，微織構(gòu)能夠提高刀具的切削性能，但目前加工出的微織構(gòu)大多表面質(zhì)量較差，且關(guān)于微織構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計的研究較少。

鑒于微磨削加工方法在硬質(zhì)合金等難加工材料表面微織構(gòu)加工質(zhì)量方面的明顯優(yōu)勢，本文采用微磨削方法制備微織構(gòu)刀具，并研究微織構(gòu)方向和間距對刀具切削性能的影響。在硬質(zhì)合金車刀前刀面微磨削制備出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的微槽織構(gòu)，利用DEFORM-3D仿真軟件對切削過程中微織構(gòu)刀具的切削溫度和刀具磨損進(jìn)行有限元仿真，并采用微磨削制備的微織構(gòu)刀具進(jìn)行切削試驗，分析微溝槽的方向、間距對刀具前刀面磨損的影響，探討微織構(gòu)刀具的減摩抗粘性能。

1 微織構(gòu)刀具的磨削制備

基于牧野CNS7d數(shù)控工具磨床，使用金剛石砂輪在硬質(zhì)合金車刀上磨削加工出微溝槽，具體加工方法如圖1所示。車刀為京瓷KW10無涂層硬質(zhì)合金刀片，砂輪為磨粒粒度#2000的V形金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，V型尖端角度分別為30°和60°。

磨削制備出橫向、縱向和交叉織構(gòu)刀具，其中橫向織構(gòu)刀具的表面微槽垂直于切屑流向，縱向織構(gòu)刀具的表面微槽平行于切屑流向，交叉織構(gòu)刀具的表面微槽橫向與縱向交叉。采用60° V形金剛石砂輪在刀具前刀面磨制橫向和縱向微槽陣列，其寬度為100 μm，間距為 150、200、250 μm，用于研究溝槽間距對微織構(gòu)刀具切削性能的影響。采用30° V形金剛石砂輪磨制橫向、縱向和交叉微槽陣列，其寬度為50 μm，間距為150、250 μm，用于研究不同切削速度下微織構(gòu)刀具的切削性能。磨削加工出的刀具微織構(gòu)如圖2所示，圖中的溝槽寬度均為50 μm，橫向溝槽間距為150 μm，縱向溝槽間距為 250 μm。

采用基恩士激光掃描顯微鏡對微織構(gòu)的表面形貌進(jìn)行觀測。槽寬為100 μm，溝槽間距為150 μm的橫向微織構(gòu)表面形貌如圖3所示。由圖3可知，加工出的微溝槽比較完整，且無明顯毛刺產(chǎn)生，表面較為平整，加工質(zhì)量較高。

2 微織構(gòu)刀具有限元切削仿真

為了研究表面微織構(gòu)對刀具切削性能的影響，采用DEFORM-3D有限元仿真軟件，建立干切削條件下普通刀具和微織構(gòu)刀具的切削仿真模型。工件材料為鋁合金AL6061，尺寸為10 mm×4.5 mm×3 mm。刀具材料為WC-Co硬質(zhì)合金，其前角為0°，后角為7°。建立的三維仿真模型如圖4所示。

在刀具模型前刀面分別建立不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的微織構(gòu)，可分為橫向（垂直于切屑流向）、縱向（平行于切屑流向）以及交叉溝槽微織構(gòu)，其溝槽寬度為100 μm，溝槽間距分別為150、200、250 μm。仿真中鋁合金AL6061的本構(gòu)模型選擇Johnson-Cook本構(gòu)模型，綜合考慮了應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度等相關(guān)因素對仿真過程的影響。Johnson-Cook模型描述為：

式中：εp為等效塑性應(yīng)變；為塑性應(yīng)變率，為初始塑性應(yīng)變率；T代表工件溫度；Tm代表工件材料的熔化溫度；Tr表示環(huán)境溫度；A、B、C、n、m是由材料本身決定的參數(shù)，分別代表準(zhǔn)靜態(tài)下的屈服強(qiáng)度、應(yīng)變硬化系數(shù)、應(yīng)變率相關(guān)系數(shù)、硬化指數(shù)、熱軟化系數(shù)。仿真中所用的本構(gòu)模型參數(shù)為：A=266.83 MPa，B=126.83 MPa，C=0.08272，n=0.2583，m=1.25。刀具及工件的材料特性見表1。

選用 Usui模型作為刀具磨損模型，并對刀具磨損進(jìn)行預(yù)測分析。Usui模型公式如式(2)所示。

式中：p為接觸面壓力；V為滑動速度；T為接觸面溫度；a和b為試驗校準(zhǔn)系數(shù)。在仿真中，根據(jù)經(jīng)驗值取a=1×10-5，b=1000。

表1 AL6061及WC-Co硬質(zhì)合金刀具的材料特性Tab.1 Material properties of AL6061 and WC-Co cemented carbide tools

在切削仿真中，設(shè)置環(huán)境溫度為20 ℃。采用剪切摩擦模型，摩擦系數(shù)為0.5，傳熱系數(shù)為 45 N/ (s·mm·℃)。在切削速度為120 m/min、切削深度為0.5 mm、進(jìn)給速度為0.15 mm/r、切削距離為8 mm時，刀具的切削溫度分布如圖5所示，其中橫向、縱向和交叉織構(gòu)刀具的溝槽間距均為150 μm。從圖5中可以看出，無織構(gòu)刀具前刀面溫度最高，158 ℃以上區(qū)域面積最大，且具有較高的溫度梯度?？v向織構(gòu)刀具的溫度有所降低，主要分布在79～158 ℃。橫向織構(gòu)刀具和交叉織構(gòu)刀具前刀面溫度較低，高溫區(qū)域面積明顯減少。與無織構(gòu)刀具相比，橫向、縱向、交叉織構(gòu)刀具的切削溫度均有所降低。這是由于微織構(gòu)的存在減少了刀具與切屑的接觸面積，有利于減少摩擦，降低切削溫度。橫向織構(gòu)刀具和交叉織構(gòu)刀具溫度相對較低，降溫效果較好。

不同切削速度下，無織構(gòu)刀具和微織構(gòu)刀具的切削溫度如圖6所示。由圖6可知，刀具溫度均隨著切削速度的增加而增大，其中橫向織構(gòu)刀具溫度最低，降溫效果最好，交叉織構(gòu)刀具的降溫效果相比稍差。縱向織構(gòu)刀具降溫效果最差，這是由于縱向溝槽方向與切屑流動方向一致，刀具與切屑接觸面積大，摩擦產(chǎn)生的熱量多，同時切屑易堵塞縱向溝槽，不利于散熱。橫向溝槽對切屑流動有阻礙作用，降低了刀具與切屑的接觸面積，減少了摩擦生熱，使得橫向織構(gòu)刀具降溫效果良好，而交叉織構(gòu)刀具由于有縱向溝槽的存在，使得降溫效果稍差。

采用溝槽間距不同的刀具進(jìn)行切削仿真時，刀具溫度如圖7所示。由圖7可知，縱向織構(gòu)刀具的切削溫度在溝槽間距為150 μm時最低，在間距為200 μm和250 μm時接近無織構(gòu)刀具的切削溫度。隨溝槽間距的增大，橫向和交叉織構(gòu)刀具的切削溫度逐漸升高。這是由于隨著溝槽間距的增大，刀屑之間的實際接觸面積增大，摩擦愈加劇烈，進(jìn)而導(dǎo)致切削溫度升高。與無織構(gòu)刀具相比，微織構(gòu)刀具在溝槽間距為150 μm時的降溫效果最好，刀具溫度最低。可見，采用具有較小溝槽間距的橫向和交叉織構(gòu)刀具更利于降低刀具溫度。

切削速度為90 m/mim、切削深度為0.5 mm、進(jìn)給速度為0.15 mm/r、切削距離為8 mm時，不同類型刀具的磨損分布如圖8所示?？梢钥闯觯毒吣p主要集中在前刀面的前半部分，無織構(gòu)刀具的磨損最為嚴(yán)重，橫向、縱向和交叉織構(gòu)刀具的磨損均有所減輕。這是因為微織構(gòu)的存在有利于減少切屑與刀具間的摩擦，降低磨損。幾種微織構(gòu)刀具中，橫向織構(gòu)刀具的磨損最輕，磨損區(qū)域最小，減摩效果最為顯著；縱向織構(gòu)刀具由于其溝槽方向與切屑流向一致，磨損區(qū)域最大，減摩效果較差。

3 微織構(gòu)刀具車削試驗與分析

采用磨削制備出的微織構(gòu)刀具進(jìn)行切削試驗，分析在不同切削條件下，微溝槽的方向、間距對刀具磨損的影響。切削加工參數(shù)見表2。車削試驗在美國精密數(shù)控車削中心HAWK150上進(jìn)行，采用日本京瓷公司生產(chǎn)的DCGW11T304 KW10車刀片，刀尖圓弧半徑為0.4 mm，其切削角度參數(shù)為：前角0°，后角7°，主偏角90°，刃傾角0°。試驗以AL6061鋁合金作為工件材料，工件尺寸為φ40 mm。

表2 車削試驗切削參數(shù)Tab.2 Cutting parameters of turning test

3.1 溝槽間距對微織構(gòu)刀具磨損的影響

在切削速度為90 m/min以及干切削條件下，采用無織構(gòu)刀具、縱向和橫向織構(gòu)刀具進(jìn)行切削試驗，其中縱向、橫向溝槽間距L分別為150、200、250 μm，寬度為 100 μm。車削后刀具前刀面磨損形貌如圖9所示（圖中線框圈出的區(qū)域為粘結(jié)磨損區(qū)域）?？梢钥闯?，刀具表面都出現(xiàn)了一定程度的粘結(jié)磨損，并且刀尖附近的粘結(jié)最為嚴(yán)重。這是由于切削時，刀尖處的切削力和溫度相對較高，高溫使得切屑發(fā)生局部熔化，并迅速粘附在在刀尖處。隨著切削時間的增加，刀尖處就出現(xiàn)了一定的積屑瘤。與無織構(gòu)刀具對比發(fā)現(xiàn)，橫向和縱向織構(gòu)刀具上雖然也出現(xiàn)了一定程度的切屑粘結(jié)現(xiàn)象，但是粘結(jié)磨損程度較輕，刀尖處積屑瘤范圍也較小。這是由于微溝槽的置入使刀屑間實際接觸面積減小，降低了刀具與切屑間的摩擦，抑制了切削過程中熱量的產(chǎn)生，進(jìn)而減輕了切屑粘結(jié)現(xiàn)象。

不同溝槽間距下，刀具前刀面的粘結(jié)面積如圖10所示?？梢钥闯?，橫向織構(gòu)刀具前刀面的粘結(jié)面積在溝槽間距為150 μm時最小，相比無織構(gòu)刀具，其粘結(jié)面積減少了27.8%。隨著溝槽間距的增大，粘結(jié)面積變大。這是因為橫向織構(gòu)刀具的溝槽方向垂直于切屑的流動方向，隨溝槽間距變大，作用區(qū)域溝槽數(shù)量減少，刀屑之間的實際接觸面積增大，摩擦愈加劇烈，進(jìn)而導(dǎo)致切削溫度升高，切屑粘結(jié)面積增大?？v向織構(gòu)刀具的粘結(jié)面積隨溝槽間距的增大變化緩慢，說明縱向溝槽間距對縱向織構(gòu)刀具的粘結(jié)磨損影響較小。橫向織構(gòu)刀具在溝槽間距為150 μm時抗粘性能最好，可見，采用較小的溝槽間距有利于減輕切屑粘結(jié)。

3.2 切削速度對微織構(gòu)刀具磨損的影響

在干切削條件下，采用無織構(gòu)刀具及縱向、橫向、交叉織構(gòu)刀具進(jìn)行切削試驗。其中縱向溝槽間距為250 μm，橫向溝槽間距為 150 μm，溝槽寬度均為50 μm。不同切削速度下，刀具前刀面磨損形貌如圖11所示，粘結(jié)區(qū)域所對應(yīng)的粘結(jié)面積如圖12所示?？梢钥闯?，相比無織構(gòu)刀具，微織構(gòu)刀具的粘結(jié)面積明顯減小。當(dāng)切削速度為90 m/min時，縱向、橫向和交叉織構(gòu)刀具的粘結(jié)面積分別減少了 22.3%、45.0%、35.8%。隨著切削速度的增大，無織構(gòu)刀具的切屑粘結(jié)區(qū)域明顯減小，刀具刀尖處的積屑瘤也減小。對于橫向和縱向織構(gòu)刀具，其粘結(jié)面積也隨著切削速度的增大呈現(xiàn)下降的趨勢。這是由于切削速度的增大有利于降低刀具與切屑間的摩擦，減少切屑在前刀面的粘結(jié)。在較高切削速度下（vc=120、150 m/min）無織構(gòu)刀具和微織構(gòu)刀具前刀面的粘結(jié)面積均有一定程度的降低。與無織構(gòu)刀具相比，微織構(gòu)刀具能夠有效減輕前刀面的切屑粘結(jié)現(xiàn)象，在切削速度較高時，表現(xiàn)出較好的抗粘結(jié)性能。其中，橫向織構(gòu)刀具粘結(jié)面積最小，減摩抗粘性能最好。這是由于橫向溝槽垂直于切屑流動方向，能夠阻止切屑在前刀面的不斷沉積和增長，使切屑不易塞滿溝槽，減少粘結(jié)。而縱向和交叉織構(gòu)刀具由于有縱向溝槽的存在，切屑易沿溝槽流動，同時刀具與切屑接觸面積大，切削溫度高，易導(dǎo)致切屑粘附，抗粘結(jié)性能差。切削試驗結(jié)果為有限元仿真得出的橫向織構(gòu)刀具切削溫度最低、磨損最小等結(jié)論提供了支撐，有限元仿真結(jié)論也在一定程度上解釋了微織構(gòu)刀具的減摩抗粘機(jī)理。

4 結(jié)論

采用微磨削方法將微織構(gòu)應(yīng)用于硬質(zhì)合金車刀前刀面，通過切削試驗和有限元切削仿真來研究微織構(gòu)對硬質(zhì)合金刀具切削性能的影響。結(jié)論如下：

1）基于微磨削方法，采用V形金剛石砂輪在硬質(zhì)合金車刀前刀面上進(jìn)行微槽磨削加工，可獲得形狀規(guī)則且表面質(zhì)量良好的微織構(gòu)。

2）通過有限元仿真可以發(fā)現(xiàn)，與無織構(gòu)刀具相比，橫向、縱向和交叉織構(gòu)刀具的切削溫度均有所降低，橫向織構(gòu)刀具降溫效果最顯著。采用小的溝槽間距更利于降低微織構(gòu)刀具的切削溫度。刀具表面微織構(gòu)能減輕刀具磨損，其中橫向織構(gòu)刀具的磨損最小。

3）表面微織構(gòu)能夠有效地減輕刀具前刀面的粘結(jié)磨損，并且在高速切削時表現(xiàn)出良好的抗粘結(jié)性，其中橫向織構(gòu)刀具有最好的減摩抗粘效果。溝槽間距對刀具抗粘性能有一定的影響，采用較小的溝槽間距有利于減輕切屑粘結(jié)，橫向織構(gòu)刀具在溝槽間距為150 μm時抗粘性能最好。