一種刀具表面階梯型微織構(gòu)的作用機(jī)理分析

張 娜，楊發(fā)展，劉緒超，姜芙林

（青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266250）

1 引言

鋁合金作為一種重要的輕合金材料，具有強(qiáng)度高、結(jié)構(gòu)輕、抗沖擊、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等突出的優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、車輛交通、航海船舶等行業(yè)的制造和生產(chǎn)中[1]。然而，鋁合金熔點(diǎn)較低，在切削過程中，切屑在較高的溫度和壓力下，容易軟化粘附的刀具表面，造成刀具粘結(jié)磨損嚴(yán)重，大幅影響刀具的使用壽命[2]。

為了提高刀具的使用壽命和切削性能，國內(nèi)外學(xué)者從不同角度對(duì)刀具進(jìn)行了優(yōu)化提升，目前主要從刀具材料的選擇和優(yōu)化、刀具結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和改善、切削液成分的改良、刀具表面涂層和微織構(gòu)技術(shù)的設(shè)計(jì)這四個(gè)方面進(jìn)行研究[3]。其中將基于仿生學(xué)提出的微織構(gòu)應(yīng)用到刀具切削加工中，可顯著提高刀具表面的接觸性能，提高刀具壽命，現(xiàn)已成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。常見的微織構(gòu)主要包括凹坑狀[4]、溝槽狀[5]、凸包狀[6]三種類型，其中凹坑狀織構(gòu)目前研究的較多也是一個(gè)研究熱點(diǎn)，文獻(xiàn)[7]在45#鋼表面加工出不同面積占有率的微凹坑織構(gòu)進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)微凹坑織構(gòu)的存在減小了摩擦系數(shù)波動(dòng)范圍，減小了接觸面磨損面積，降低了表面磨損率。文獻(xiàn)[8]在刀具前刀面加工出微凹坑織構(gòu)，同時(shí)借助固體潤滑劑MoS2填充凹坑，設(shè)計(jì)制造自潤滑微織構(gòu)刀具，進(jìn)行切削45#鋼實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，微織構(gòu)自潤滑刀具在降低切削力，減小刀具粘結(jié)磨損方面具有明顯的效果，提高了刀具的切削性能，延長了刀具使用壽命和耐用度。文獻(xiàn)[9]在硬質(zhì)合金刀具表面加工微凹坑織構(gòu)。進(jìn)行切削對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)：表面微凹坑織構(gòu)的存在，對(duì)于提高切削過程的穩(wěn)定性，減少加工過程中刀具或者工件的振動(dòng)現(xiàn)象效果顯著。大量研究結(jié)果表明，刀具表面存在的凹坑織構(gòu)作用效果顯著[10]，而織構(gòu)中凹坑的排列、深徑比和面積占有率是影響織構(gòu)性能的主要因素[11]?；谏鲜龇治?，提出了一種階梯型微凹坑織構(gòu)刀具，并通過改變凹坑參數(shù)進(jìn)行系列摩擦磨損實(shí)驗(yàn)和系列切削實(shí)驗(yàn)，探究刀具表面加工出階梯型微凹坑織構(gòu)其存在的作用并揭示其作用機(jī)理。

2 材料處理及織構(gòu)制備

2.1 材料處理

鋁合金選用抗拉強(qiáng)度為310MPa、屈服強(qiáng)度為275MPa、硬度為95HB、型號(hào)標(biāo)記為6061 的材料。硬質(zhì)合金材料選用YG8，YG8的材料性能，如表1所示。試樣尺寸為（35×35×5）mm。在實(shí)驗(yàn)前將鋁合金和硬質(zhì)合金刀具用數(shù)控超聲清洗器依次在石油醚、無水乙醇中各清洗10min，最后選用自控紅外烘干爐烘干。

表1 YT8材料性能Tab.1 Properties of YT8

2.2 織構(gòu)制備

階梯狀微凹坑織構(gòu)的設(shè)計(jì)，如圖1 所示。大凹坑織構(gòu)和小凹坑織構(gòu)間隔排布。改變大凹坑的直徑及深度的織構(gòu)參數(shù)，如表2所示。用聯(lián)贏激光生產(chǎn)的Nd：YGA脈沖激光器加工凹坑織構(gòu)，激光參數(shù)為：頻率選擇20Hz、脈沖數(shù)設(shè)置為20個(gè)、功率設(shè)置為90W、光斑直徑調(diào)整為50μm。激光加工織構(gòu)機(jī)理為高能量瞬間去除材料，在加工出的凹坑織構(gòu)周圍會(huì)產(chǎn)生材料熔融物[12]，對(duì)已加工織構(gòu)的表面進(jìn)行1200 目砂紙打磨處理，隨后在石油醚、無水乙醇中清洗并進(jìn)行烘干，放入防塵袋內(nèi)待后續(xù)實(shí)驗(yàn)及觀測處理。

圖1 階梯狀微凹坑織構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Texture Design of Stepped Micro-Pits

表2 階梯狀微凹坑織構(gòu)參數(shù)Tab.2 Texture Parameters of Stepped Micro-Pits

3 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

摩擦磨損實(shí)驗(yàn)在立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，摩擦實(shí)驗(yàn)原理，如圖2所示。硬質(zhì)合金塊通過專用夾具固定在下端，在銷試樣上方施加載荷并且銷試樣進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。本實(shí)驗(yàn)所施加載荷F為40N，對(duì)磨轉(zhuǎn)速n為100r/min。對(duì)六組不同參數(shù)的階梯狀微織構(gòu)硬質(zhì)合金分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行3次，并對(duì)實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)取平均值作為實(shí)驗(yàn)值，所述實(shí)驗(yàn)在切削液潤滑的條件下進(jìn)行。

圖2 銷盤摩擦實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.2 Principle Diagram of Pin-Disk Friction Experiment

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

不同參數(shù)的階梯型微織構(gòu)硬質(zhì)合金表面摩擦系數(shù)，如圖3所示。從圖3 中可以看出，硬質(zhì)合金光滑表面及不同參數(shù)階梯型織構(gòu)表面在和鋁合金銷摩擦?xí)r，硬質(zhì)合金光滑表面整體摩擦系數(shù)較大，為0.046，且摩擦過程中摩擦系數(shù)波動(dòng)較大。階梯型微織構(gòu)硬質(zhì)合金表面摩擦系數(shù)均小于光滑表面，且整體波動(dòng)較小，六種不同參數(shù)的織構(gòu)中當(dāng)大凹坑織構(gòu)直徑為65μm，深度為15μm（即ST-2）摩擦系數(shù)最小，為0.026，相對(duì)于光滑表面減小43.5%。當(dāng)大凹坑直徑為75μm，深度為20μm（即ST-3）或者大凹坑直徑為105μm，深度為35μm（即ST-6）時(shí)，硬質(zhì)合金織構(gòu)表面摩擦系數(shù)為0.029，相對(duì)與光滑表面減小35.5%，減摩效果也較為明顯。階梯狀微織構(gòu)硬質(zhì)合金表面摩擦系數(shù)隨著大凹坑織構(gòu)直徑的增加呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢，在大凹坑直徑為65μm取得最小值，在直徑95μm取得最大值。大凹坑直徑參數(shù)中減摩效果依次為65μm＞75μm＞105μm＞85μm＞55μm＞95μm。六種參數(shù)的階梯型微織構(gòu)硬質(zhì)合金表面均能有效的減小摩擦系數(shù)，且摩擦系數(shù)較為平穩(wěn)，相對(duì)于光滑表面沒有大幅度的起伏。凹坑織構(gòu)的作用機(jī)理，如圖4 所示。在切削液潤滑的條件下，凹坑織構(gòu)一方面能有效的存貯切削液，在硬質(zhì)合金和鋁合金表面開始相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，凹坑織構(gòu)能夠容留摩擦過程中產(chǎn)生的磨屑，并向接觸表面提供潤滑液，在摩擦副表面形成連續(xù)的潤滑膜。另一方面，當(dāng)切削液流過織構(gòu)時(shí)，由于橫截面積的改變，先后產(chǎn)生收斂間隙和發(fā)散間隙，生成較大的壓力差，產(chǎn)生動(dòng)壓潤滑效應(yīng)，以此降低了兩表面間的摩擦系數(shù)。凹坑參數(shù)不同時(shí)，摩擦系數(shù)不同，這是因?yàn)椴煌瑓?shù)的凹坑表現(xiàn)出不同的油膜承載能力，根據(jù)研究當(dāng)織構(gòu)參數(shù)在一定的深徑比時(shí)油膜承載能力最強(qiáng)[13]，而不是單一的隨著織構(gòu)參數(shù)的增加或減小作用效果越好。

圖3 硬質(zhì)合金表面摩擦系數(shù)Fig.3 Surface Friction Coefficient of Cemented Carbide

圖4 凹坑織構(gòu)作用機(jī)理示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Mechanism of Pit Texture

對(duì)磨后的鋁合金銷磨損量，如圖5所示。其中與光滑表面硬質(zhì)合金對(duì)磨的鋁合金銷磨損量為4.25mm3，與凹坑直徑為65μm的階梯型織構(gòu)刀具表面對(duì)磨的鋁合金銷磨損體積為2.54mm3，相對(duì)于與光滑表面對(duì)磨的鋁合金銷磨損量減少了40.2%。鋁合金銷磨損量的趨勢與摩擦系數(shù)相一致，磨損量先減小后增大再減小，在大凹坑直徑為65μm 取得最小值，在直徑95μm 取得最大值，效果依次為：大凹坑直徑65μm＞55μm＞85μm＞105μm＞95μm＞75μm。與六種參數(shù)織構(gòu)表面對(duì)磨的鋁合金銷磨損量相對(duì)于與光滑表面對(duì)磨的鋁合金銷均出現(xiàn)不同程度的減小，這是因?yàn)槟Σ粮敝械奈⒖棙?gòu)能起到收集磨屑的作用，減少“三體摩擦”的出現(xiàn)和降低摩擦副間的磨損。

圖5 鋁合金銷磨損量Fig.5 Wear of Aluminium Alloy Pins

4 切削實(shí)驗(yàn)

4.1 切削實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

切削實(shí)驗(yàn)在CA6140型車床上進(jìn)行，加工方式為連續(xù)切削，刀具的主要幾何參數(shù)為：前角γ0=10°、后角α0=5°、刃傾角λs=0°、主偏角Kr=45°。切削過程中采用切削液潤滑，切削進(jìn)給量為f=0.1mm/r，切削深度ɑp=0.2mm，切削速度υ=800r/min，車削時(shí)間10min。采用YE5850B 電荷放大器和ADLINK 信號(hào)采集器組合的測力儀測量三向切削力。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

刀具切削鋁合金時(shí)的三向切削力，如圖6所示。對(duì)比各個(gè)圖可知，當(dāng)表面大凹坑織構(gòu)的直徑為55μm和65μm時(shí)，帶有織構(gòu)的刀具主切削力Fz明顯小于普通刀具，主切削力Fz隨著織構(gòu)大凹坑直徑的增大呈現(xiàn)先減小后增大再減小的趨勢，當(dāng)大凹坑直徑為65μm 時(shí)獲得最小值，為64.8N，相對(duì)于普通無織構(gòu)的刀具72.3N減小了10.4%。當(dāng)表面大凹坑織構(gòu)直徑增加至75μm和85μm時(shí)，進(jìn)給抗力Fx相對(duì)于普通刀具有所減小，但主切削力Fz相對(duì)于普通無織構(gòu)的刀具增大了4.4%、19.3%。當(dāng)表面大凹坑織構(gòu)直徑為95μm和105μm時(shí)，吃刀抗力Fy相對(duì)于普通刀具明顯減小，但是主切削力Fz增大了76.9%、39.8%。當(dāng)凹坑直徑過大時(shí)，切屑前刀面的實(shí)際接觸長度變大，摩擦更加劇烈，所產(chǎn)生的主切削力更大。當(dāng)?shù)毒弑砻婵棙?gòu)大凹坑直徑為65μm時(shí)，主切削力最小。

圖6 刀具切削力Fig.6 Cutting Force of Cutter

切削鋁合金時(shí)的切屑形貌，如圖7所示。圖7（a）中普通刀具切削時(shí)產(chǎn)生長度高達(dá)10cm的帶狀切屑，增大了切屑與前刀面的接觸長度，加劇了刀具前刀面與切屑間的磨損。并且因?yàn)殇X合金材質(zhì)較軟，容易在刀具表面粘結(jié)，將會(huì)嚴(yán)重影響刀具的使用壽命，降低切削效率，影響被加工工件質(zhì)量。圖7（b）中織構(gòu)刀具切削鋁合金時(shí)產(chǎn)生了碎屑，此種切屑長度較短，不易纏繞在工件及刀具上，刀具表面凹坑織構(gòu)的存在減小了切屑與前刀面的接觸面積，能夠降低切削力和切削溫度，減少刀具磨損，改善加工表面質(zhì)量，延長刀具使用壽命。

圖7 切屑形貌Fig.7 Shape of Chips

5 結(jié)論

（1）當(dāng)硬質(zhì)合金織構(gòu)表面大凹坑織構(gòu)直徑為65μm、深度為15μm時(shí)，在相同的摩擦條件和時(shí)間內(nèi)，表面織構(gòu)的減摩降磨效果最為明顯，相對(duì)于光滑表面其摩擦系數(shù)減小了43.5%，與之對(duì)磨的鋁合金銷的磨損量減小了40.2%。

（2）硬質(zhì)合金表面階梯型織構(gòu)能有效改善摩擦副間的摩擦性能，不同的凹坑參數(shù)減摩效果不同，減摩效果優(yōu)劣程度依次為：大凹坑直徑65μm＞55μm＞85μm＞105μm＞95μm＞75μm。

（3）表面帶有織構(gòu)的刀具優(yōu)化了切屑的微觀形貌和類型，改善了刀具前刀面的摩擦狀況。當(dāng)織構(gòu)刀具表面大凹坑織構(gòu)直徑為65μm，深度為15μm時(shí)，主切削力相對(duì)于無織構(gòu)的普通刀具減小了10.4%。

（4）研究發(fā)現(xiàn)，刀具表面的階梯狀微織構(gòu)能有效補(bǔ)充摩擦表面的潤滑液并產(chǎn)生動(dòng)壓潤滑效應(yīng)，起到減摩降磨的作用，改變切屑類型，改善刀具的磨損狀況，提高刀具壽命。