織構(gòu)刀具凹坑直徑對刀-屑摩擦特性的影響

孫非瑀，沈號倫，李金泉

(沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽110159)

切削加工時刀-屑之間的熱力耦合作用很大，導(dǎo)致前刀面磨損嚴(yán)重，減少刀-屑摩擦對提高被加工件表面質(zhì)量和刀具使用壽命具有重要作用[1]。已有研究[2-3]表明，在刀具前面加工出不同尺寸、不同形狀的織構(gòu)可有效改善刀-屑摩擦特性，提高刀具的使用壽命。Feng Y H等[4]通過試驗發(fā)現(xiàn)，與非織構(gòu)刀具相比，采用織構(gòu)刀具加工顯著降低了切削力、切削溫度和刀具磨損，凹坑織構(gòu)刀具比微槽織構(gòu)刀具的應(yīng)力接觸區(qū)域小，但微槽織構(gòu)刀具的切削性能最好。楊超等[5]采用多組不同凹坑織構(gòu)尺寸的刀具進(jìn)行切削試驗對比，發(fā)現(xiàn)凹坑直徑為110μm或200μm、深度為7μm、面積占有率為20%時切削性能最好。Wu Z等[6]研究發(fā)現(xiàn)，切削速度增大時，非織構(gòu)刀具與織構(gòu)刀具的刀-屑摩擦系數(shù)均減小，但織構(gòu)刀具的摩擦系數(shù)減小程度更大，可減小5%～20%。劉偉等[7]設(shè)計了三種織構(gòu)刀具，分別為半圓凹型、半圓凸型和梯型槽微織構(gòu)刀具，三種微織構(gòu)刀具在最佳微織構(gòu)參數(shù)下，可使摩擦力分別降低23.0%、27.7%和21.9%。Sarma D K等[8]研究發(fā)現(xiàn)，凹坑織構(gòu)刀具的切削力與進(jìn)給力比溝槽織構(gòu)刀具低，且加工后的表面質(zhì)量更高，刀具磨損更小。Zheng K R等[9]研究表明，使用正弦織構(gòu)刀具時表面粗糙度可降低35.89%，織構(gòu)刀具有助于進(jìn)一步提高硬質(zhì)合金刀具對鈦合金的切削性能，延長其使用壽命。連云崧等[10]將血蚶表面能夠減小摩擦的特性應(yīng)用到刀具前刀面，制備出仿生織構(gòu)刀具，使用該刀具進(jìn)行加工時可減小磨損。You C T等[11]根據(jù)蜣螂頭部的表面結(jié)構(gòu)設(shè)計了兩種仿生刀具，將其用于切削加工時均可使切削力與刀-屑摩擦系數(shù)減小。

織構(gòu)刀具可以改善刀-屑摩擦特性、降低刀具的磨損程度、提高刀具的使用壽命，但目前對于織構(gòu)刀具織構(gòu)參數(shù)的選取還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。本課題組前期研究[12]發(fā)現(xiàn)，采用物理氣相沉積(PVD)涂層的硬質(zhì)合金刀具切削TC4棒料時，隨著切削參數(shù)的改變，刀具前刀面磨損嚴(yán)重，并在切削速度較大時出現(xiàn)了崩刃現(xiàn)象，刀具的切削性能和穩(wěn)定性降低，加工質(zhì)量受到影響。因此，本文根據(jù)前期試驗中存在的問題，仿照蜣螂體表實際的凹坑尺寸設(shè)計織構(gòu)刀具，研究織構(gòu)刀具凹坑直徑對摩擦系數(shù)及表面粗糙度的影響規(guī)律，為織構(gòu)刀具織構(gòu)參數(shù)的選取提供參考依據(jù)。

1 切削試驗

1.1 織構(gòu)尺寸設(shè)計

文獻(xiàn)[13]研究發(fā)現(xiàn)，蜣螂體表為帶有凹坑的非光滑表面(如圖1所示)，該非光滑表面可以減小運動阻力和粘附，而織構(gòu)刀具設(shè)計的主要目標(biāo)也是減小刀-屑間的阻力和粘附，以進(jìn)一步減小刀具磨損，改善加工表面質(zhì)量，故可將蜣螂體表特征用于織構(gòu)刀具的設(shè)計。

圖1 蜣螂體表凹坑[13]

由文獻(xiàn)[14]的研究可知，蜣螂頭部和胸部凹坑深度為10～35μm、直徑為50～115μm。仿照蜣螂體表結(jié)構(gòu)尺寸，利用激光打標(biāo)機(jī)在刀具前刀面加工出直徑不同、深度與中心距相同的凹坑織構(gòu)圖案，刀具凹坑織構(gòu)尺寸見表1所示，加工后的刀具凹坑織構(gòu)圖案如圖2所示。

表1 刀具凹坑織構(gòu)尺寸 μm

圖2 刀具凹坑織構(gòu)圖案

1.2 試驗方案

采用CA6140車床(沈陽第一機(jī)床制造廠)進(jìn)行切削試驗，試驗材料為TC4鈦合金，材料化學(xué)成分如表2所示。

表2 TC4鈦合金化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

試驗采用PVD涂層的硬質(zhì)合金刀具(山特維克公司)，刀片、刀桿型號分別為CCMT09T308-MF1105、SCACR1616H09，刀具前角γ0=0°，后角α0=7°，刃傾角λs=0°，主偏角Kr=95°，刀尖圓弧半徑為0.8mm。分別采用非織構(gòu)刀具和不同凹坑直徑的織構(gòu)刀具進(jìn)行單因素(僅改變進(jìn)給量)干式切削試驗，切削試驗方案如表3所示。

表3 單因素試驗方案

2 結(jié)果與討論

2.1 凹坑直徑對刀-屑摩擦系數(shù)的影響

在切削加工過程中，切屑與刀具前刀面在刀-屑接觸長度內(nèi)產(chǎn)生摩擦，并造成刀具的磨損，因此刀-屑接觸長度是影響刀具磨損的重要因素。凹坑織構(gòu)刀具因其在刀-屑接觸范圍內(nèi)加工出一定尺寸的凹坑織構(gòu)，可有效減小刀-屑接觸長度，其實際刀-屑接觸長度為[6]

Lc=Lf-nd

(1)

式中：Lc為凹坑織構(gòu)刀具的刀-屑實際接觸長度；Lf為非織構(gòu)刀具的刀-屑接觸長度；n為凹坑數(shù)量；d為凹坑直徑?？棙?gòu)刀具刀-屑接觸長度示意如圖3所示。

圖3 織構(gòu)刀具刀-屑接觸長度示意圖

刀-屑接觸長度影響切屑和前刀面間摩擦力，其間關(guān)系如式(2)、式(3)所示[15]。

Ff0=awLfτc

(2)

Ff=awLcτc

(3)

式中：Ff0為非織構(gòu)刀具切屑與前刀面的摩擦力；Ff為凹坑織構(gòu)刀具切屑與前刀面的摩擦力；aw為切削寬度；τc為刀-屑接觸面的平均剪切應(yīng)力。

將式(1)代入式(3)得

Ff=aw(Lf-nd)τc

(4)

由于凹坑織構(gòu)可有效減小刀-屑接觸面積，故織構(gòu)刀具可使刀-屑間的摩擦力減小。

刀-屑摩擦系數(shù)的定義式[16]為

μ=tanβ

(5)

式中：μ為摩擦系數(shù)；β為摩擦角。

在切削加工過程中，抵抗工件塑性變形與彈性變形的抗力和刀-屑間的摩擦力形成的合力Fc可以分解為軸向力Fx、徑向力Fy和切向力Fz[16]。其中

Fy=Fcsin(β-γ0)

(6)

Fz=Fccos(β-γ0)

(7)

Fc=Ff/sinβ

(8)

將式(8)分別代入式(6)和式(7)得

(9)

(10)

將式(9)、式(10)代入式(5)，得到摩擦系數(shù)μ與刀具前角γ0、切向力Fz、徑向力Fy的關(guān)系為

μ=tan(γ0+arctan(Fy/Fz))

(11)

本試驗刀具前角為0°，故由式(11)可得

μ=Fy/Fz

(12)

采用三向壓電測力儀(大連理工大學(xué))測量各刀具在不同進(jìn)給量下的切削力及其各向分力，結(jié)果如表4所示。

表4 不同刀具在不同進(jìn)給量下的切削力

為進(jìn)一步探究凹坑直徑對摩擦系數(shù)的影響，將表4中切向力Fz、徑向力Fy數(shù)據(jù)代入式(12)，得到不同進(jìn)給量下非織構(gòu)刀具與不同凹坑直徑織構(gòu)刀具的刀-屑摩擦系數(shù)，如表5所示。

表5 不同刀具在不同進(jìn)給量下的摩擦系數(shù)

由表5數(shù)據(jù)可以看出：采用織構(gòu)刀具加工時，只有當(dāng)進(jìn)給量為0.20mm/r和0.30mm/r時，隨著凹坑直徑由50μm增加到100μm，刀-屑摩擦系數(shù)隨之先增大后減小，其余進(jìn)給量下刀-屑摩擦系數(shù)均隨著凹坑直徑的增大而減?。划?dāng)凹坑直徑為50μm和70μm時，織構(gòu)刀具的刀-屑摩擦系數(shù)高于非織構(gòu)刀具，當(dāng)凹坑直徑增加到100μm時，織構(gòu)刀具的刀-屑摩擦系數(shù)明顯小于非織構(gòu)刀具。

織構(gòu)刀具的凹坑直徑較小時，凹坑織構(gòu)更容易被磨屑填充磨平導(dǎo)致織構(gòu)消失，因此其刀-屑摩擦系數(shù)高于非織構(gòu)刀具；當(dāng)凹坑直徑增大時，刀-屑接觸部分發(fā)生金屬粘結(jié)的面積減少，故較大的凹坑直徑有利于減小刀-屑接觸面積，延長刀具壽命；凹坑直徑過大會造成刀具強(qiáng)度降低，不僅不會起到延長刀具使用壽命的作用，反而會使刀具更易損壞。當(dāng)凹坑直徑增大到某一值時，織構(gòu)刀具的刀-屑摩擦系數(shù)與非織構(gòu)刀具的摩擦系數(shù)相近，此時的直徑可視為比較理想的凹坑直徑。

隨著進(jìn)給量增大，單位時間內(nèi)刀具與工件間的接觸面積增大，切削力增加，非織構(gòu)刀具的刀-屑摩擦系數(shù)減小；織構(gòu)刀具在加工過程中其摩擦系數(shù)不僅受到進(jìn)給量的影響，還會由于部分凹坑被切屑填滿導(dǎo)致刀-屑間摩擦增大，故其摩擦系數(shù)隨進(jìn)給量的變化無明顯規(guī)律。

2.2 凹坑直徑對表面粗糙度的影響

使用120mm位相光柵干涉粗糙度輪廊儀(英國泰勒霍普森公司)測量不同刀具在不同進(jìn)給量下加工后工件的表面粗糙度，結(jié)果如表6所示。

由表6可見，采用非織構(gòu)刀具和織構(gòu)刀具加工時，工件的表面粗糙度均隨進(jìn)給量的增大而增大，因為進(jìn)給量增大，刀具與工件接觸面積增大。在進(jìn)給量為0.15mm/r、凹坑直徑為100μm時，織構(gòu)刀具加工后的表面粗糙度高于非織構(gòu)刀具；其他情況下，織構(gòu)刀具加工后的表面粗糙度均低于非織構(gòu)刀具。

采用織構(gòu)刀具加工時，當(dāng)進(jìn)給量為0.20mm/r時，隨著凹坑直徑由50μm增加到100μm，表面粗糙度先減小后增大；在其他進(jìn)給量下，隨著凹坑直徑由50μm增加到100μm，表面粗糙度均隨之增大。凹坑直徑增大，更多的切屑進(jìn)入凹坑內(nèi)，造成二次切削，故表面粗糙度增大，同時也會降低加工過程的穩(wěn)定性。另外，凹坑直徑增大，刀-屑接觸面積減小，刀具與切屑在接觸區(qū)域內(nèi)的摩擦減小，從而可減輕刀具磨損，但凹坑直徑過大，則會導(dǎo)致凹坑面積占有率過大，造成刀具強(qiáng)度降低，從而加劇刀具磨損，刀具磨損同時會造成凹坑織構(gòu)尺寸及形狀的改變，刀具磨損較為嚴(yán)重的區(qū)域會將凹坑磨平，甚至造成織構(gòu)刀具磨損程度高于非織構(gòu)刀具，從而影響織構(gòu)刀具的切削性能，進(jìn)一步影響加工件的表面粗糙度。適宜的凹坑直徑可有效避免上述情況，降低表面粗糙度，改善表面質(zhì)量。

在進(jìn)給量較小的情況下，織構(gòu)刀具與非織構(gòu)刀具切削后的表面粗糙度變化幅度不大；進(jìn)給量為0.1mm/r時，凹坑直徑分別為50μm、70μm、100μm時，織構(gòu)刀具加工后的表面粗糙度對比非織構(gòu)刀具分別降低了11.7%、9.4%、1.9%；隨著進(jìn)給量的增大，織構(gòu)刀具與非織構(gòu)刀具切削后的表面粗糙度變化幅度增大，進(jìn)給量為0.30mm/r時，凹坑直徑為50μm、70μm、100μm的織構(gòu)刀具加工后的表面粗糙度對比非織構(gòu)刀具分別降低了20.8%、14.6%、11.5%。進(jìn)給量較大時，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的切屑更多，織構(gòu)刀具對表面粗糙度的影響更為明顯。

織構(gòu)刀具可有效減小刀-屑接觸面積，降低表面粗糙度，提高切削性能，且在進(jìn)給量較大時，效果更為明顯。

3 結(jié)論

(1)織構(gòu)刀具凹坑直徑影響刀-屑間的摩擦系數(shù)，在本文試驗條件下，切削用量相同時，織構(gòu)刀具凹坑直徑為50μm和70μm時，摩擦系數(shù)高于非織構(gòu)刀具，凹坑直徑為100μm時，摩擦系數(shù)低于非織構(gòu)刀具。

(2)采用織構(gòu)刀具加工可降低工件的表面粗糙度。在本試驗條件下，除進(jìn)給量為0.20mm/r外，其他切削用量下，織構(gòu)刀具加工后的表面粗糙度均隨凹坑直徑增大而增大。進(jìn)給量較大時，使用織構(gòu)刀具減小表面粗糙度的作用更為明顯，當(dāng)進(jìn)給量為0.30mm/r時，織構(gòu)刀具加工后的表面粗糙度比非織構(gòu)刀具加工最多降低了20.8%。