石墨烯涂層刀具車(chē)削6061鋁合金有限元仿真*

李小康，李 彬，許鹿輝，郝 勇，任睿卓

(1. 洛陽(yáng)理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，河南 洛陽(yáng) 471023;2. 河南省復(fù)合刀具與精密加工國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471023)

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)的發(fā)展，機(jī)械加工行業(yè)也逐步邁入高速切削加工時(shí)代。以鈦合金、高溫合金和硬質(zhì)合金為代表的難加工材料[1]因具備優(yōu)異強(qiáng)度、韌性和低膨脹系數(shù)等特點(diǎn)備受工業(yè)領(lǐng)域的關(guān)注。由于難加工材料這些特性而對(duì)切削加工過(guò)程中的切削環(huán)境和刀具等提出了更高的要求。

在傳統(tǒng)切削加工難加工材料的過(guò)程中，切削液的使用不僅能有效降低刀具-工件接觸區(qū)的切削熱，改善此區(qū)域的摩擦狀態(tài)，還能在刀具前刀面形成一層潤(rùn)滑薄膜，有效改善切削加工環(huán)境，減少刀具的磨損[2]。但在高速切削加工過(guò)程中，由于刀-屑接觸區(qū)的壓力和切向速度分量較大，使得切削液難以抵達(dá)切削區(qū)，無(wú)法起到潤(rùn)滑和降溫的作用。因此，為應(yīng)對(duì)新的加工環(huán)境，將潤(rùn)滑性能優(yōu)異的石墨(C)、二硫化鎢(WS2)和二硫化鉬(MoS2)等材料采用相應(yīng)的技術(shù)工藝在硬質(zhì)合金基體表面沉積，自組裝形成自潤(rùn)滑刀具[3]，因其具備優(yōu)異的潤(rùn)滑特性廣泛應(yīng)用于高速干式切削或微量潤(rùn)滑的加工環(huán)境。而在目前主要研究的自潤(rùn)滑刀具中，因涂層材料不具備耐磨性和較高的機(jī)械強(qiáng)度往往不適用于連續(xù)的高速切削，使得一種新型涂層材料及其制備工藝顯得極為重要。

2004年，英國(guó)物理學(xué)家Geim和Novoselov運(yùn)用微機(jī)械剝離法成功從石墨塊中分離出石墨烯[4]，從此開(kāi)辟了二維材料時(shí)代的到來(lái)。至此之后，大量實(shí)驗(yàn)研究表明單層石墨烯材料具有較強(qiáng)的機(jī)械性能[5]、優(yōu)異的熱力學(xué)性能和潤(rùn)滑性能[6]，恰恰因?yàn)槭┚邆浯祟?lèi)優(yōu)異的特性備受科學(xué)家和學(xué)者們的關(guān)注，一度躍為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的功能/結(jié)構(gòu)材料，而其制備石墨烯的工藝技術(shù)也由最初的機(jī)械剝離法，催生出碳化硅裂解法、化學(xué)氣相沉積(CVD)和磁分散電弧等離子體合成技術(shù)等工藝[7-8]。

如今，化學(xué)氣相沉積已經(jīng)成為生長(zhǎng)高質(zhì)量大面積石墨烯的主要技術(shù)手段，而學(xué)者們則主要通過(guò)氣體碳源材料、生長(zhǎng)基體材料和生長(zhǎng)條件三個(gè)方面[9]改性CVD生長(zhǎng)石墨烯。近年來(lái)，Ramón M E等[10]、Ago H等[11]和Liu K等[12]均在不同程度上以CH4或C2H2作為碳源氣體在鈷(Co)金屬基體表面沉積出單層或多層石墨烯，并在此基礎(chǔ)上研究其反應(yīng)機(jī)理和實(shí)驗(yàn)條件對(duì)石墨烯生長(zhǎng)的影響，而Liu K等則基于此成功在含15%Co元素的硬質(zhì)合金(YG15)基體表面沉積出多層石墨烯。盡管孟祥龍等[13]和宋肖肖等[14]將成品片狀石墨烯材料與陶瓷、立方氮化硼和金剛石等超硬材料混合熱壓燒結(jié)形成新的超硬復(fù)合材料，邢佑強(qiáng)等[15]則采用激光熔敷技術(shù)將片狀石墨烯與Ti、Al等金屬混合后形成一種新的復(fù)合涂層材料，但由于其過(guò)程較為復(fù)雜且成品石墨烯價(jià)格昂貴等限制，往往無(wú)法達(dá)到工業(yè)大批量生產(chǎn)。而目前尚未記錄將石墨烯作為一種新型的刀具涂層材料應(yīng)用于切削加工領(lǐng)域，因此，采用化學(xué)氣相沉積工藝在硬質(zhì)合金基體表面生長(zhǎng)多層石墨烯，獲得一種新型自潤(rùn)滑涂層刀具，有望彌補(bǔ)其在連續(xù)高速干式切削加工中的不足。

針對(duì)高效干切削和微量潤(rùn)滑加工中潤(rùn)滑能力不足的難題，有望通過(guò)引入石墨烯涂層自組裝結(jié)構(gòu)及界面優(yōu)化，控制接觸面附近的局部力學(xué)性能梯度，改善刀具涂層的抗磨損能力，提供最優(yōu)的涂層刀具和加工材料匹配的加工參數(shù)。本文將使用DEFORM有限元分析軟件，采用對(duì)比分析方略研究石墨烯涂層和非涂層硬質(zhì)合金刀具在不同切削速度條件下，通過(guò)分析鋁合金6061工件對(duì)應(yīng)的溫度和應(yīng)力以及刀具前刀面切削力、切削熱和磨損量，判斷石墨烯涂層能否提高硬質(zhì)合金刀具的切削性能。

1 FEM有限元仿真模擬

1.1 刀具參數(shù)設(shè)置

FEM仿真模擬利用三維設(shè)計(jì)軟件Solidworks2016進(jìn)行刀具幾何模型建立，牌號(hào)TNMG160404HQ1，如圖1所示，將其另存為“.STL” 文件格式并導(dǎo)入DEFORM軟件專(zhuān)用切削加工模塊前處理中，設(shè)定刀具類(lèi)型為剛體，基體材料為carbide(15%Cobalt)，并定義顆粒度參數(shù)為2，網(wǎng)格劃分45 000個(gè)，在一定的條件下，采用DEFORM-3D對(duì)鋁合金6061進(jìn)行有限元仿真。

圖1 TNMG160404HQ1刀具幾何參數(shù)

1.2 涂層和工件材料設(shè)置

據(jù)研究表明，金剛石刀具適用加工的材料被稱(chēng)為“非黑色金屬”，因?yàn)樵诩庸み^(guò)程中碳原子與被加工材料中的鐵原子有較好的化學(xué)親和力，在一定條件下，金剛石刀具加工鋼鐵材料會(huì)很快發(fā)生石墨化[16]，導(dǎo)致嚴(yán)重的刀具磨損，石墨烯材料和金剛石同屬碳族，均是碳的同素異構(gòu)體，因此不適用于加工鋼鐵材料。在實(shí)際生產(chǎn)加工中，硬質(zhì)合金刀具和金剛石刀具因具有高強(qiáng)度、高韌性和低熱膨脹系數(shù)等特性，廣泛用于鋁合金A6061的高速切削[17]，因此，可將石墨烯涂層刀具應(yīng)用于加工6061鋁合金。

在DEFORM-3D前處理切削加工模塊加工AL6061(machining)時(shí)，刀具-工件接觸區(qū)切削力、切削熱等切削性能表征參數(shù)與刀具基體材料和涂層材料密不可分，石墨烯作為一種新型涂層材料導(dǎo)入軟件需定義材料楊氏模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)和熱導(dǎo)率等參數(shù)，如表1所示。[18-21]此外，定義多層石墨烯的輻射系數(shù)為0.99[22]，待將新材料參數(shù)設(shè)置完畢后，保存為“.key”文件備用。

石墨烯最早通過(guò)機(jī)械剝離法從石墨塊中獲得，是單層石墨烯、雙層石墨烯和少層石墨烯的統(tǒng)稱(chēng)。從熱力學(xué)角度論，室溫下10層或更少片層薄片中的每一層均表現(xiàn)為單層石墨烯晶體，而其單層厚度僅為碳原子直徑長(zhǎng)度0.35 nm[23]，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)[24]于2017年首次公布認(rèn)定真假石墨烯，即當(dāng)層數(shù)小于或等于十層時(shí)，可以稱(chēng)為石墨烯，否則便是石墨。因此在DEFROM前處理模塊中定義刀具表面涂層厚度時(shí)，將其層數(shù)定義為6層，厚度大約2.1 nm。

表1 多層石墨烯特性參數(shù)

1.3 加工參數(shù)設(shè)置

DEFORM仿真試驗(yàn)采用非涂層和涂層TNMG160404HQ1刀具，下面分別簡(jiǎn)稱(chēng)T1和T2，并定義涂層材料和厚度如表2所示。此外，將加工過(guò)程一共分為4組進(jìn)行，切削速度、背吃刀量和進(jìn)給量等切削參數(shù)設(shè)置如表3所示。此外，設(shè)置加工步數(shù)為500步，以每10步保存一次。

表2 刀具涂層材料和厚度

表3 切削加工參數(shù)

2 結(jié)果分析

采用DEFORM-3D后處理器提取工件表面的切削應(yīng)力和切削熱以及刀具前刀面切削力、切削熱和刀具磨損量，分別提取1步、50步、100步、150步、200步、300步、350步、400步、450步和500步相應(yīng)數(shù)據(jù)值，其中每組數(shù)據(jù)點(diǎn)的第1步數(shù)據(jù)取DEFORM-3D軟件中-1步點(diǎn)作為初始數(shù)據(jù)。此外，上述步驟中部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)存在失真等情況，按照每10步保存的原則，選取失真點(diǎn)上下10步數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.1 工件表面數(shù)據(jù)分析

(1)刀-屑切削區(qū)切削熱。切削加工中切削熱[25]主要來(lái)源于切削層金屬抗變形耗能和刀-屑切削區(qū)摩擦熱能，基于熱傳導(dǎo)偏微分控制方程運(yùn)算。

(2)

圖3 工件表面殘余應(yīng)力

基于式(2)進(jìn)行推導(dǎo)，忽略進(jìn)給運(yùn)動(dòng)耗能，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生切削熱公式如下：

Qc=Fcvc

(3)

式中,Qc為單位時(shí)間內(nèi)切削熱；Fc為切削力；vc為切削速度。并且設(shè)置進(jìn)給量0.3 mm/rev和背吃刀量1 mm，以不同的切削速度進(jìn)行鋁合金6061的切削加工，并在后處理器中提取工件表面切削熱進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如圖2所示。據(jù)研究表明，在車(chē)削加工中，切屑帶走切削過(guò)程大約50%～86%的熱量[26]，切削熱的產(chǎn)生在一定程度上會(huì)影響工件尺寸精度、刀具的強(qiáng)度和韌性等，降低切削過(guò)程中切削熱的產(chǎn)生對(duì)工件以及刀具均具有深遠(yuǎn)意義。

圖2 刀-屑切削區(qū)切削熱

石墨烯涂層在一定條件下能有效降低刀-屑切削區(qū)切削熱。對(duì)比4組試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，當(dāng)v=125 m/min時(shí)，隨著切削時(shí)間的增加，T2刀具表面摩擦因數(shù)增加，刀-屑切削區(qū)切削熱增加，而在加工200步后，T1和T2刀具刀-屑切削區(qū)溫度相差小于10℃。而當(dāng)v=150 m/min時(shí)，T2刀具切削時(shí)刀-屑接觸區(qū)溫度明顯低于T1，兩者平均溫度相差大約30℃；而隨著切削速度的提高，T2刀具切削性能下降，表現(xiàn)為T(mén)1刀具和T2刀具在175 m/min和200 m/min條件下，平均切削熱溫度差值小于10℃。對(duì)比上述數(shù)據(jù)變化發(fā)現(xiàn)，當(dāng)v=150 m/min時(shí)，T2的切削性能最好，分析其原因在于6061鋁合金屬于一種高塑性材料的難加工材料，隨著切削速度的增加，材料變形量逐漸變大，切屑未及時(shí)脫離工件而產(chǎn)生熱量集中，而T1由于其材料硬度和韌性等均低于T2，隨著刀-屑接觸區(qū)溫度的提高加劇刀具磨損，在無(wú)涂層的保護(hù)作用下提前失效。

(2)工件表面殘余應(yīng)力。在加工參數(shù)進(jìn)給量0.3 mm/rev和背吃刀量1 mm不變的前提下，以不同的切削速度進(jìn)行鋁合金6061的切削加工，并在后處理器中提取工件表面殘余應(yīng)力進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如圖3所示。

石墨烯涂層在一定條件下能有效降低工件表面殘余應(yīng)力。對(duì)比4組試驗(yàn)表明，當(dāng)v=125 m/min時(shí)，T2刀具切削過(guò)程中于工件表面產(chǎn)生的平均殘余應(yīng)力值大于T1，且兩者的平均殘余應(yīng)力值相差20 MPa；當(dāng)v=150 m/min時(shí)，T2刀具切削過(guò)程穩(wěn)定，工件表面殘余應(yīng)力值低于T1切削加工250 MPa。而T2刀具隨著切削速度的增加，T2刀具切削過(guò)程出現(xiàn)非穩(wěn)定狀態(tài)，切削力變化較大，工作過(guò)程并不平穩(wěn)，表現(xiàn)為T(mén)2刀具和T1刀具在v=175 m/min和v=200 m/min條件下，工件表面殘余平均應(yīng)力值相差低于50 MPa。對(duì)比上述數(shù)據(jù)變化發(fā)現(xiàn)，因?yàn)楣ぜ砻鏆堄鄳?yīng)力值是切削力和切削熱綜合作用的結(jié)果，在切削過(guò)程中，隨著切削速度的提高，刀具的切削力將逐漸增大，而切削熱產(chǎn)生的主要與切削力的大小有關(guān)。對(duì)比圖4發(fā)現(xiàn)，在其他參量不變的條件下，T2前刀面切削力較T1更低，可推斷降低工件表面殘余應(yīng)力是因?yàn)槭┩繉咏档土说毒咔邢骷庸み^(guò)程中的主切削力。

2.2 刀具前刀面數(shù)據(jù)分析

(1)刀具前刀面切削力。切削力是分析刀具涂層性能的重要指標(biāo)之一，在其他參數(shù)不變的條件下，基于不同的切削速度，研究刀具的主切削力變化，評(píng)定石墨烯涂層的切削性能以及最佳切削匹配參數(shù)，如圖4所示。

圖4 刀具表面主切削力

在切削加工中，對(duì)比4組試驗(yàn)表明，當(dāng)v=125 m/min時(shí)，T2刀具表面產(chǎn)生的平均切削力比T1刀具大約高20 N，但隨著切削速度的提高，T2刀具切削性能明顯提高，主要表現(xiàn)為當(dāng)v=150 m/min時(shí)，T1刀具前刀面平均切削力比T2大約高100 N，其潤(rùn)滑性能較T1顯著。

(2)刀具前刀面切削熱。相較于刀-屑切削區(qū)熱能來(lái)源，刀具前刀面切削熱主要來(lái)源于前刀面與切屑、后刀面與已加工表面間的摩擦，在不同的切削加工參數(shù)下，刀具表面涂層的潤(rùn)滑性能和涂層材料性能均對(duì)前刀面切削熱值大小產(chǎn)生一定的影響，并對(duì)刀具的使用壽命尤為重要，如圖5所示。

圖5 刀具前刀面切削熱

對(duì)比4組試驗(yàn)表明，在v=125 m/min、150 m/min和200 m/min的條件下，T2刀具前刀面最高溫度平均低于T1大約16℃、12℃和16℃，而最低溫度平均低于6℃、10℃和20℃；但在v=175 m/min時(shí)， T2刀具前刀面最高溫度高于T1大約20℃，最低溫度大約高23℃。

(3)刀具前刀面磨損。鋁合金6061是一種高導(dǎo)熱系數(shù)、低硬度和強(qiáng)度的難加工材料，在生產(chǎn)加工中極易出現(xiàn)刀屑粘刀現(xiàn)象，難以獲得較理想的質(zhì)量和精度，且對(duì)刀具磨損嚴(yán)重，而DEFORM-3D采用Usui經(jīng)驗(yàn)?zāi)p率模型[27]作為專(zhuān)用模型進(jìn)行切削加工試驗(yàn)，其公式如下：

(4)

式中，w為磨損深度；p為界面壓力；V為切削速度；T為界面溫度，a和b為經(jīng)驗(yàn)因數(shù)。FDM切削加工中輸入a=0.000 000 2，b=650.5，試驗(yàn)?zāi)p分布圖如圖6所示。

圖6 刀具前刀面磨損分布圖

對(duì)比4組試驗(yàn)表明，在V=150 m/min和V=200 m/min條件下，T2能有效降低刀具前刀面表面磨損量；而V=125 m/min和V=175 m/min條件下，因T2刀具切削力波動(dòng)較大，失真點(diǎn)較多，導(dǎo)致切削過(guò)程不穩(wěn)定，加劇刀具磨損使其涂層過(guò)早失效。

通過(guò)分析刀具前刀面的主切削力、切削熱和表面磨損狀況，對(duì)其數(shù)據(jù)變化做出初步的理論分析得出其潤(rùn)滑機(jī)理：通過(guò)將自潤(rùn)滑性能優(yōu)異的石墨烯納米粒子組裝在刀具基體表面，在特定的工況下，石墨烯潤(rùn)滑膜的形成減小了刀具的磨損，又由于潤(rùn)滑膜具有較高的強(qiáng)度和彈性模量而難以被切屑帶走；而當(dāng)潤(rùn)滑膜耗損或破裂時(shí)，加速自修復(fù)粒子向摩擦表面的轉(zhuǎn)化，進(jìn)而補(bǔ)償磨損表面，且其轉(zhuǎn)移膜對(duì)已加工工件表面可以起到關(guān)鍵的保護(hù)作用，有利于提高工件表面質(zhì)量。

3 結(jié)論

針對(duì)高效干切削和微量潤(rùn)滑加工中潤(rùn)滑能力不足的難題，將自潤(rùn)滑性能優(yōu)良的石墨烯粒子組裝到硬質(zhì)合基體表面，以降低表面自由能，提高刀具的耐磨性能和使用壽命，有望彌補(bǔ)自潤(rùn)滑涂層在連續(xù)高速切削過(guò)程中的不足。為進(jìn)一步研究石墨烯涂層刀具 的切削加工性能，采用DEFORM-3D軟件對(duì)6061鋁合金進(jìn)行切削加工有限元仿真，經(jīng)前處理、模擬處理和后處理，分別提取工件表面切削熱和殘余應(yīng)力以及刀具前刀面主切削力、切削熱和磨損量進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，結(jié)論如下：

(1)提出一種新型涂層刀具的設(shè)計(jì)概念，利用石墨烯納米涂層與基體材料多元互補(bǔ)特性，將自潤(rùn)滑性能良好的石墨烯粒子組裝在刀具表面，在一定切削加工條件下，石墨烯涂層能有效提高刀具的切削性能，降低前刀面切削力，減少刀具磨損，提高刀具的使用壽命。

(2)一種石墨烯涂層刀具的自潤(rùn)滑機(jī)理。在特定加工工況下，基體表面石墨烯潤(rùn)滑膜的形成有利于降低切削過(guò)程摩擦因數(shù)，減少刀具的磨損；而當(dāng)潤(rùn)滑膜耗損或破裂時(shí)，微納米材料在切削摩擦表面形成一種條件性的自修復(fù)，彌補(bǔ)刀具表面的磨損。