微織構在刀具表面的應用

楊 澈，楊曉紅，朱佳柏，葉 霞

（1.江蘇理工學院 機械工程學院，江蘇 常州 213001；2.江蘇理工學院 材料工程學院，江蘇 常州 213001）

在使用刀具切削的過程中，切削液的使用可以降低切削時的溫度，控制切屑形貌、幾何精度和工件表面的粗糙度，但也會帶來使用成本與環(huán)境保護等方面的問題。因此，研究者們通過研究仿生微結構，將其運用到切削刀具上，從而制造出環(huán)境友好型的表面微織構刀具。刀具表面微織構是通過不同方法，如激光刻蝕[1]等在工件表面加工出不同尺度、不同形貌[2]的微結構。

1 刀具表面微織構的作用機理

微織構刀具的減磨機理主要分為兩方面。在干切削試驗中，刀具表面的微織構可以減小刀具與被切屑物之間的接觸面積，從而降低切削力和切削溫度。刀具前刀面摩擦力Ff的計算見式（1）：

式中，l表示刀具與被切屑物的接觸長度，αw表示切削時主切削刃的切削寬度。切削合力F、主切削力Fx、背向力Fy的計算見式（2）～（4）：

其中，β為摩擦角，γ0為前角，τc為刀屑間潤滑膜的剪切強度。由上述公式可以得出，切削力F與刀屑間接觸長度lf成線性關系[3]。圖1分別表示無微織構刀具和微織構刀具的刀屑接觸示意圖；可以看出，微織構刀具的刀屑接觸長度明顯減少，因而摩擦力、切削力也會隨之減小。

圖1 刀屑接觸示意圖

在有潤滑的切削過程中，微織構能儲存部分潤滑劑，從而提高切削潤滑效果。如果在微織構內(nèi)填充固體潤滑劑，切削過程中，固體潤滑劑會因切削時產(chǎn)生的高溫而在刀屑接觸面間形成潤滑膜，進一步減小了所需的切削力。

Shamoto等人[4]發(fā)現(xiàn)，刀具表面的槽狀微織構可以控制切屑的流動方向。如圖2所示，在槽狀微織構的協(xié)助下，切屑能沿著微槽的方向穩(wěn)定流動，進而減小刀屑接觸面積，達到減小切削力提升刀具性能的效果。而Duan等人[5]發(fā)現(xiàn)，微織構刀具在切削時會在切屑表面產(chǎn)生一些微槽狀的結構，這些結構能起到毛細血管的作用，從而增強切削冷卻液的輸送，降低了切削的溫度。

圖2 微織構的切屑導向效應示意圖

2 微織構的加工方法及應用

2.1 激光加工技術

激光加工技術是一種綠色清潔的加工技術，即通過激光器內(nèi)高能量密度的激光照射需加工工件的表面，使得局部發(fā)生熔融，產(chǎn)生微織構的方法。能量密度高的激光甚至可以產(chǎn)生氣化效應，所以加工精度高，且加工質(zhì)量十分優(yōu)異。

Da等人[6]采用Nd:YAG（摻釹釔鋁石榴石）激光加工技術，在有涂層的硬質(zhì)合金刀具表面制備了凹槽狀的微織構；隨后的切削試驗表明，具有微織構刀具的壽命比無微織構刀具明顯提升，刀面磨損更少。高鵬[7]、Xing等人[8]利用激光加工技術在AlCrN涂層刀具表面制備了深35 μm、寬50 μm的溝槽狀微織構，微織構的間距為300～500 μm，并通過切削試驗證明具有微織構的刀具摩擦學性能更好。王震等人[9]利用激光器在硬質(zhì)合金表面加工出微坑陣列微織構，微坑直徑為100 μm、深度為20 μm、間距為200 μm。張貴梁等人[10]利用光纖激光在硬質(zhì)合金表面制備了不同間距的正弦和直線型溝槽狀微織構，微織構間距分別為400～600 μm。Ahmed等人[1]采用飛秒激光在含6%Co的硬質(zhì)合金上制備出槽狀微織構，寬度、間距、深度分別為5 μm、20 μm、2 μm。

2.2 電火花加工技術

電火花加工技術是通過電極產(chǎn)生脈沖火花，并利用其產(chǎn)生的高溫讓基底材料熔融的加工手段，加工材料必須為金屬。這種技術可用來加工深孔、曲面以及復雜形狀工件，但對工件燒蝕較為嚴重，加工的表面微織構精度較低。

宋文龍等人[11]通過電火花加工技術，在硬質(zhì)合金表面制備出直徑35 μm、深度1 mm的孔型微織構。吳澤等人[12-14]利用電火花加工技術，在硬質(zhì)合金刀具的表面加工了直徑0.15 mm、深度0.3 mm的凹坑狀微織構。Patel等人[15]使用精細電火花儀器，在硬質(zhì)合金刀具表面制備了寬度50～100 μm、間距50～200 μm、深度10～20 μm的溝槽狀微織構。

2.3 光刻加工技術

光刻加工技術是利用覆膜模板結合化學刻蝕轉印和紫外固化等一系列技術，在加工材料表面制備所需紋理的方法。此方法加工出的表面微織構質(zhì)量更高。Lian等人[16]利用光刻技術結合等離子體刻蝕，在刀具的前刀面制備出十分平整的槽狀微織構。Toshiyuki等人[17]利用光刻技術在硬質(zhì)合金刀具表面制備了不同形狀的微織構，包括凹坑狀和槽狀微織構，并對鋁合金進行了切削試驗；結果表明，刀具切削時的摩擦力有所降低，且微織構間距越小切削性能越優(yōu)。

2.4 其他加工方法

Gajrani等人[18]利用維氏硬度儀和微劃痕儀，在碳化鎢刀具的前刀面制備出微織構；經(jīng)對比試驗表明，微織構刀具能降低接觸區(qū)域的切削溫度。陳碧沖[19]使用V型金剛石砂輪，在硬質(zhì)合金刀具表面制備出槽狀微織構，與上述硬度儀加工方法相比，刀具表面的微織構更加平整。Pal等人[20]利用聚焦離子束技術（FIB）在刀具上制備了3種不同形狀的微織構，并通過對鈦合金（Ti6A14V）進行的切削試驗表明，微織構刀具具有更好的抗粘附性。另外，還有噴砂加工的方法。這種技術是通過高硬度的噴丸，以高速摩擦刀具表面，使刀具產(chǎn)生塑型變形，從而加工出微織構。但是，由于噴丸顆粒大小不均，因此無法加工出可控的表面微織構。Rathod等人[21]在刀具表面先放置具有微槽的蒙板，然后再使用噴砂技術在刀具表面加工出600×600 μm的方形微織構。

2.5 不同加工方法的優(yōu)劣

激光處理可以構造出亞微米級的微織構，且結構規(guī)則，微織構的質(zhì)量高；電火花加工的微織構深度更深，更易于儲存固體潤滑劑，但是對刀具燒蝕更重；光刻加工的微織構相對來說更加規(guī)則，但是加工方法復雜，不易復制；物理磨削構建的微織構形貌更平整光滑，但是加工精度相較其他方法稍差；噴砂技術制備表面微織構，成本較高、程序復雜、不易復制。

若考慮加工的可控性、便捷程度及成本等因素，則認為，激光加工方法易掌握、易量化、速度快、適用于多種材料，且加工時刀具形變較小，加工出的微織構質(zhì)量較高，易復制，因而綜合優(yōu)勢最大。

3 微織構的形貌參數(shù)及位置

在已知的相關研究中，刀具表面微織構的形狀眾多，包括線型微織構（直槽、正弦型、橢圓形）凹坑狀微織構（點狀、星型）等。微織構形貌的選擇可以先通過CAE仿真軟件進行切削仿真，初步得到性能較好的刀具，然后進行對比試驗進一步優(yōu)化參數(shù)。

亓婷[22]采用有限元仿真的方法，模擬了幾種不同形貌的微織構，包括斜紋狀微織構、橢圓狀微織構、網(wǎng)格狀微織構、槽狀微織構；在仿真得到合適參數(shù)后進行切削試驗驗證，結果表明微織構刀具的切削力與切削溫度比普通車刀都有所下降，其中橢圓狀微織構刀具的溫度下降最為明顯。龍遠強[23]在硬質(zhì)合金刀具的前刀面上設計出圓弧型、箭頭型、星型3種微織構，并分別進行了三維切削仿真；發(fā)現(xiàn)微織構的間距、微織構與主切削刃間的間距，對微織構刀具的性能都有影響。于占江[24]在刀具表面構建了凹坑陣列狀、平行主切削刃槽狀、垂直主切削刃槽狀、與主切削刃成45°槽狀4種微織構，并與無織構刀具做切削對比試驗；試驗表明，凹坑陣列狀和平行主切削刃槽狀的微織構刀具在切削過程中的刀屑接觸長度和寬度比無微織構刀具均有一定程度的減小，而其他兩種形狀的，微織構刀具效果不明顯。Wang等人[2]使用飛秒激光在金剛石刀具的前刀面制備出槽狀、同心圓狀、環(huán)形和網(wǎng)格狀微織構；進行切削試驗對比后發(fā)現(xiàn) ，垂直于主切削刃的槽狀微織構刀具性能更優(yōu)異馮秀亭等人[25]研究了垂直于切屑流動方向的刀具表面微織構，微織構的形貌為溝槽狀，但是截面的形貌并非傳統(tǒng)的矩形而是三角形；并通過切削有限元的仿真發(fā)現(xiàn)，此種微織構可在一定程度上減小切削時的切削力，抑制刀面磨損；在微織構溝槽寬度較小時，刀具的切削表現(xiàn)更好；但是，微織構溝槽的寬度超過一定數(shù)值時，切屑與微織構的邊緣接觸并產(chǎn)生二次切削現(xiàn)象，切削力開始增大，導致刀具切削性能下降；最后，通過切削試驗驗證了有限元仿真的結論。

國外學者在微織構方面也進行了諸多研究。Kawasegi[26]在硬質(zhì)合金刀具上分別加工出不同排列方向的溝槽狀表面微織構，通過切削試驗證明，微溝槽的方向會對刀具的性能產(chǎn)生不同程度的影響，微溝槽垂直于切屑運動方向的微織構刀具性能相較其他更好。Arulkirubakaran[27]在刀。具的前刀面上加工了不同形狀的表面微織構，對鈦合金進行切削試驗后發(fā)現(xiàn)，工況相同時具有垂直于切削刃微織構的刀具性能更優(yōu)。Sharma[28]研究了刀具表面微織構尺度變化對其性能的影響，并制備出一種性能相對較好的微織構形貌刀具。Hou等人[29]在YT15硬質(zhì)合金刀具的前刀面制備出等邊三角形形狀的微織構（如圖3所示），并采用硅烷化處理形成疏水表面，后續(xù)通過試驗得出此種微織構具有減輕刀具表面切屑黏附的效果。目前，微織構刀具的研究大多是針對前刀面，而Sugihara等人[30]通過飛秒激光器在CBN（立方氮化硼）刀具的后刀面構建了微織構，開發(fā)出一種適用于高速切削718鎳合金的刀具，顯著改善了高速切削時后刀面的磨損。Tamil等人[31]采用激光燒蝕的方法在圓形硬質(zhì)合金刀具的前刀面和后刀面制備出圓形、矩形的微凹坑織構，然后對718鎳合金進行切削試驗；結果表明，具有表面微織構的刀具使用壽命更長，后刀面微織構可在前刀面微織構的基礎上進一步減輕刀面的磨損。

圖3 三角形微織構形貌

目前，刀具表面微織構研究大多屬于內(nèi)凹型微織構，外凸型表面微織構刀具的研究較少。王海波[32]、顧亞勵[33]利用激光加工技術在陶瓷刀具的前刀面加工出外凸型的表面微織構，并通過對比試驗表明，這種微織構相比內(nèi)凹型，切削時界面的接觸更小，因而切削溫度和切削應力也較小，表現(xiàn)出更為優(yōu)異的切削性能，但是其機械耐久性明顯降低，無法進行長時間切削作業(yè)。

4 潤滑劑對微織構刀具的作用

微織構刀具在無潤滑條件下有著良好的切削性能，結合潤滑則優(yōu)勢更加明顯。Ge等人[34]利用飛秒激光器在硬質(zhì)合金YS8刀具的前刀面制備了不同寬度的微槽狀微織構，研究了全潤滑條件下微織構對切削區(qū)切削液潤滑的影響；結果表明，相較無微織構的刀具，微織構的存在進一步優(yōu)化了切削液的滲透機制，改善了刀具切屑接觸面的潤滑狀況，減少了切削力，避免了刀具的磨損。宋文龍等人[11]通過在硬質(zhì)合金刀具表面填充固體潤滑劑二硫化鉬，來探尋微織構刀具配合潤滑劑的減摩機理。在微織構刀具摩擦磨損試驗的開始階段，并沒有潤滑劑從微織構中析出；而當試驗進行一段時間后，由于擠壓作用，二硫化鉬開始從微織構中析出，并附著在摩擦副交界面處，參與到摩擦運動過程，但此時摩擦發(fā)生的交界面仍未形成完整的潤滑層，摩擦系數(shù)仍然相對較高，波動較大；隨著摩擦試驗的進一步進行，二硫化鉬在摩擦界面大量析出，形成相對完整的潤滑膜層，對刀具的摩擦學性能起到很好的改善作用。Sasi等人[35]將二硫化鉬涂敷在微織構刀具表面并進行拋光處理；采取干式切削，相較于低速切削與未使用二硫化鉬固體潤滑劑的刀具，切削力與切屑接觸區(qū)的溫度更小。

除二硫化鉬固體潤滑劑外，有其他研究者也使用了石墨作為固體潤滑劑，同樣也能通過改善摩擦副的對磨條件來改善刀具的摩擦學性能。Singh等人[36]在菜籽油中添加石墨烯，并通過最小潤滑系統(tǒng)運用到微織構刀具的切削試驗中；結果表明，由于石墨烯的高導熱性，可在一定程度上減緩菜籽油的蒸發(fā)，并在刀具的前刀面形成潤滑油膜，從而減輕了刀具的磨損。

5 結語

從效率和經(jīng)濟角度考慮，綠色加工將是未來制造業(yè)的發(fā)展趨勢，為減少切削時切削液的用量以及延長刀具的壽命，微織構切削刀具應運而生，其優(yōu)異的性能可以助力未來的綠色加工。

微織構刀具所具有的優(yōu)異性能包括：降低切削時的切削應力和接觸區(qū)的切削溫度，減少切削時切屑黏附所導致的刀面磨損，減少切削液的用量?？晒┻x擇的微織構刀具加工手段有：激光燒蝕處理、電火花燒蝕處理、物理磨削處理、光刻覆膜刻蝕處理、聚焦離子束刻蝕處理等。普遍應用的微織構形狀有點陣狀、溝槽狀、正弦曲線型、三角形、菱形等。潤滑劑多為固體潤滑劑，如二硫化鉬，石墨等。研究大部分屬于減材制造，此種方法不容易破壞刀具的基體，且相對易于研究。

目前，對微織構刀具的研究仍停留在試驗階段。接下來，需要在以下方面深入研究并爭取突破：（1）對可用于實際生產(chǎn)的微織構刀具的開發(fā)，包括制備方法的量化、生產(chǎn)的規(guī)模化等；（2）微織構刀具最優(yōu)參數(shù)的開發(fā)，包括形貌及刀面位置的選擇等；（3）增材制造在刀具表面微織構設計中的運用。