液體輔助激光加工織構(gòu)及表面摩擦特性研究

黃珂， 楊發(fā)展， 扈偉昊， 林云龍， 楊宇， 劉朝偉

（1.青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院， 山東青島 266000； 2.工業(yè)流體節(jié)能與污染控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東青島 266000）

0 前言

刀具磨損是加工行業(yè)面臨的一大難題， 在切削加工鈦合金等難加工材料的過程中， 刀具承受著巨大載荷， 尤其是刀尖處的集中載荷， 隨著加工區(qū)刀具表面溫度急速上升， 極易引起刀具和加工材料表面變形，影響加工材料的表面質(zhì)量和精度， 導(dǎo)致刀具快速磨損， 使用壽命急劇縮短［1］。 在切削中， 通過切削液的冷卻和潤滑作用弱化接觸界面間的摩擦接觸強(qiáng)度［2］，但是在高速切削過程中， 刀具與工件緊密接觸， 切削液難以進(jìn)入加工區(qū)域， 更難形成潤滑油膜， 導(dǎo)致切削液冷卻和潤滑作用顯著降低。 同時(shí)， 切削液中的有害物質(zhì)會(huì)對環(huán)境和作業(yè)人員造成污染和損害。 為了減少切削液的使用， 表面織構(gòu)技術(shù)被提出并迅速發(fā)展，為改善摩擦副表面的摩擦學(xué)性能提供了新的途徑。 國內(nèi)外學(xué)者研究表明， 在刀具表面設(shè)計(jì)并制備特定的微小結(jié)構(gòu)可以有效降低刀具磨損［3］。 目前刀具表面織構(gòu)主要通過激光加工法、 電火花加工法、 電解加工法、超聲波加工法等來實(shí)現(xiàn)。 其中， 激光加工因加工精度高、 污染小、 適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)備受青睞［4］。

WU 等［5］發(fā)現(xiàn)激光加工織構(gòu)刀具可以有效降低切削溫度、 主切削力、 切削抗力和實(shí)際刀屑接觸長度，延長了刀具使用壽命， 在未來加工操作中具有重要的應(yīng)用前景。 張娜等人［6－7］通過實(shí)驗(yàn)及仿真分析， 發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金表面的織構(gòu)化改善了應(yīng)力分布和應(yīng)力集中，減小了摩擦副之間的摩擦， 可以有效解決刀具的磨損等問題。 但是， 激光加工技術(shù)以激光為熱源， 激光束具有極高的能量密度和方向性， 加工時(shí)將聚焦的激光束照射到刀具表面， 當(dāng)激光能量密度達(dá)到材料熱熔閾值時(shí)， 材料將急劇熔化、 汽化， 產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊濺射［8］。 濺射的材料在空氣中快速冷卻， 重新凝固在加工區(qū)域周圍形成熔融物和重鑄層， 這一現(xiàn)象將降低織構(gòu)加工質(zhì)量。 常尚文等［9］研究了激光切割A(yù)l2O3陶瓷/不銹鋼時(shí)形成的重鑄層表面微觀形貌及晶體結(jié)構(gòu)，分析了重鑄層微觀組織的形成機(jī)制， 發(fā)現(xiàn)激光瞬態(tài)熱作用及氣體快速冷卻作用是重鑄層生成的根源。 劉暢等人［10］在激光加工高體積分?jǐn)?shù)碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料時(shí)， 發(fā)現(xiàn)重鑄層呈月牙狀形貌特征且表面存在多種裂紋， 同時(shí)分析了重鑄層及裂紋的形成機(jī)制。

為了解決上述問題， 研究者提出了液相輔助激光加工這一新工藝， 在工件表面覆蓋輔助液體， 加工時(shí)激光和液體相互反應(yīng)， 在激光脈沖后的短時(shí)間內(nèi)發(fā)生強(qiáng)耦合作用， 形成獨(dú)特的微/納米結(jié)構(gòu)［11］， 這一手段可以有效緩解加工過程中的熱效應(yīng)及熔融物重新冷卻這一問題。 龍芋宏等［12］通過在空氣和水介質(zhì)中對單晶體硅片進(jìn)行激光刻蝕， 發(fā)現(xiàn)水輔助激光加工時(shí)， 濺射的熔融物更容易排出， 提高了工件的表面質(zhì)量， 而且加快了刻蝕速率。 DELL'AGLIO 等［13］采用不同的時(shí)間分辨診斷技術(shù)研究了金屬納米粒子在空化泡中的運(yùn)輸和擴(kuò)散， 在液相輔助激光加工過程中， 材料接觸激光束后發(fā)生熔化和汽化， 同時(shí)工件表面的液體產(chǎn)生氣泡，將濺射出來的材料帶離工件表面［14］， 可以有效改善熔融物重鑄現(xiàn)象， 抑制毛刺的產(chǎn)生， 提高表面加工質(zhì)量。

上述研究表明液體的存在不僅可以冷卻加工間隙， 極大地減小熱影響區(qū)， 降低材料熱變形和熱損傷， 還可以帶離熔融物， 減少毛刺及重鑄層的生成，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、 高效率加工。 通過查閱大量的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)， 目前將液體輔助加工技術(shù)應(yīng)用到金屬表面制備織構(gòu)的研究較少。 為此， 本文作者通過液體輔助激光加工技術(shù)得到Y(jié)G6 硬質(zhì)合金刀具織構(gòu)表面， 并對其摩擦特性進(jìn)行分析， 探究液體輔助激光加工織構(gòu)表面的摩擦特性以及在減摩降磨中的作用， 對推進(jìn)表面織構(gòu)激光加工技術(shù)的發(fā)展、 豐富表面織構(gòu)形貌類型均具有重要的意義。

1 試驗(yàn)部分

1.1 織構(gòu)制備及激光加工工藝

刀具材料為YG6 硬質(zhì)合金（株洲鉆石切削刀具股份有限公司生產(chǎn)）， 其組成成分及物理特性見表1。

表1 YG6 刀具材料特性Tab.1 YG6 tool material characteristics

刀具尺寸為16 mm×16 mm×4.5 mm， 在加工織構(gòu)之前， 將刀具前刀面進(jìn)行拋光處理， 去除刀具表面劃痕。 將拋光后的刀具放入超聲波清洗機(jī)中， 加入無水乙醇沒過刀具， 清洗10 ～15 min 去除刀具表面的污漬， 清洗完成后取出并放置自然風(fēng)干。 分別在空氣介質(zhì)和液體環(huán)境下， 采用IPG 納秒激光器在拋光后的刀具表面加工間隔為0.2 mm 的直線溝槽織構(gòu)， 輔助液體選用去離子水， 激光參數(shù)設(shè)置為功率65 W， 掃描速度350 mm/s， 掃描次數(shù)160 次， 加工示意如圖1所示。 激 光 器 型 號 為YLPN?1?100?200?R， 波 長 為1 064 nm、 脈沖寬度為100 ns、 頻率為20 kHz， 其基本參數(shù)見表2。 刀具初始及加工后的表面形貌由激光共聚焦顯微鏡（VK?X1000 系列） 觀察獲得。

圖1 激光加工直線溝槽織構(gòu)示意Fig.1 Schematic of laser processing linear groove texture：（a） dry laser processing； （b） liquid－assisted laser processing

表2 激光器基本參數(shù)Tab.2 Basic parameters of laser

1.2 織構(gòu)刀具表面磨損性能測試

選用UMT 摩擦磨損試驗(yàn)儀進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，對偶球?yàn)門C4 鈦合金球， 潤滑劑選用廣州止境化工技術(shù)有限公司生產(chǎn)的ZJ?846 濃縮型切削液， 切削液的運(yùn)動(dòng)黏度（20 ℃） 為10 mm2/s。 刀具固定在底盤專用夾具上， 鈦合金球固定在上端機(jī)器的夾具上， 如圖2 所示。 試驗(yàn)條件為： 載荷6 N， 直線往復(fù)行程6 mm， 滑動(dòng)速度24 mm/s， 摩擦?xí)r間1 800 s。 加載作用力垂直于刀具的表面， 方向與織構(gòu)方向垂直。 實(shí)驗(yàn)前， 在硬質(zhì)合金試樣表面均勻覆蓋一層切削液， 以確保摩擦接觸區(qū)充分潤滑， 每組試驗(yàn)重復(fù)3 次， 取平均值作為試驗(yàn)結(jié)果。 織構(gòu)磨損形貌由DSX510 型體視顯微鏡（OLYMPUS） 觀察獲得。

圖2 摩擦磨損示意Fig.2 Schematic of friction and wear

1.3 模型設(shè)計(jì)及仿真方法

基于N－S 方程的CFD 方法對試驗(yàn)進(jìn)行模擬仿真，分析織構(gòu)表面對摩擦學(xué)性能的影響。 如圖3 所示， 取周期性分布的矩形區(qū)域作為單元區(qū)域進(jìn)行分析， 單元區(qū)域長度為L， 在單元區(qū)域內(nèi)摩擦副構(gòu)件間油膜厚度為

圖3 直線溝槽織構(gòu)模型示意Fig.3 Schematic of linear groove texture model： （a） texture the upper surface of the cutter； （b） friction pair

式中：h0為最小油膜厚度；hp為摩擦副兩構(gòu)件任意一處油膜厚度；h為織構(gòu)深度；Ac為非織構(gòu)區(qū)域；At為織構(gòu)區(qū)域。

織構(gòu)試樣表面潤滑液的平均壓力可在一定程度上反映織構(gòu)的承載能力。 為了進(jìn)一步衡量流體動(dòng)壓潤滑狀態(tài)下表面織構(gòu)改善接觸表面摩擦學(xué)特性的作用［15］，以潤滑油膜平均壓力pz作為油膜承載能力大小的指標(biāo)，pz與織構(gòu)參數(shù)的關(guān)系如式（2） 所示：

式中：p（x，y）為點(diǎn)（x，y） 處的壓力值。

對油膜平均壓力與織構(gòu)參數(shù)進(jìn)行模擬仿真分析，模擬假設(shè)條件為穩(wěn)態(tài)、 不可壓、 定溫、 層流， 最小油膜厚度h0＝10 μm， 織構(gòu)深度h＝50 μm， 織構(gòu)寬度w＝100 μm， 間隔為200 μm， ZJ?846 切削液密度857 kg/m3， 室溫下動(dòng)態(tài)黏度0.457 2 Pa·s， 摩擦副上下表面相對運(yùn)動(dòng)速率為0.02 m/s［16］。 通過ABAQUS 構(gòu)建模型并劃分網(wǎng)格后進(jìn)行仿真運(yùn)算。

2 結(jié)果及分析

2.1 表面織構(gòu)形貌分析

直線溝槽織構(gòu)形貌如圖4 所示， 在空氣介質(zhì)中加工所得織構(gòu)寬度為62.723 μm， 深度為53.592 μm，通過高功率激光束照射材料表面吸收能量后溫度迅速升高， 隨后發(fā)生熔化、 蒸發(fā)， 在硬質(zhì)合金表面形成高溫高壓等離子體， 等離子體爆炸時(shí)帶走結(jié)構(gòu)表面材料， 從而形成所需的表面結(jié)構(gòu)。 融化和濺射的硬質(zhì)合金材料在空氣中無法快速驅(qū)離形成大量熔融物， 冷卻后堆積在溝槽底部及兩側(cè)， 形成毛刺和重鑄層。 同時(shí)過高的溫度在去除材料的過程中會(huì)帶來熱損傷等問題［17］， 在 織 構(gòu) 兩 側(cè) 產(chǎn) 生 明 顯 的 熱 影 響 區(qū) ［圖4 （a）］， 降低表面織構(gòu)的加工質(zhì)量。 將硬質(zhì)合金浸沒在一定厚度的液體中， 加工所得織構(gòu)寬度為167.034 μm， 深度為9.338 μm， 液體在激光作用下生成氣泡， 氣泡塌縮在硬質(zhì)合金界面附近產(chǎn)生高速壁向液體射流， 將熔融物帶離加工區(qū)域［18］， 減少重鑄現(xiàn)象， 同時(shí)氣泡對激光光束起到散射作用， 使激光光束能量分布均衡， 所得表面的微凸峰及凹谷分布更加均勻。 但是水下加工過程中的表面起伏會(huì)引起激光束的明顯偏轉(zhuǎn)和反射， 導(dǎo)致溝槽幾何形狀的不連續(xù)和不均勻［圖4 （b） ］。 同時(shí)激光束穿過水層到達(dá)工件表面時(shí)會(huì)發(fā)生吸收和折射， 到達(dá)工件表面的激光能量減少， 使加工所得織構(gòu)寬度變大， 深度變小。 在熱量傳輸速度上， 液體的傳導(dǎo)性優(yōu)于空氣［19］， 激光加工過程中過多的熱量被水吸收， 加工區(qū)域被冷卻， 減少了熱影響區(qū)的出現(xiàn)。

圖4 表面織構(gòu)形貌Fig.4 Surface texture morphology： （a） dry laser processing；（b） liquid－assisted laser processing

2.2 摩擦磨損結(jié)果與仿真結(jié)果分析

圖5 所示為無織構(gòu)刀具、 干式激光加工織構(gòu)刀具和液體輔助激光加工織構(gòu)刀具表面在切削液潤滑條件下的摩擦因數(shù)曲線。 可以看出： 有織構(gòu)的刀具表面摩擦因數(shù)均小于無織構(gòu)刀具表面， 無織構(gòu)刀具的摩擦因數(shù)在0.5～0.65 之間變化， 整個(gè)過程中摩擦因數(shù)較大且波動(dòng)劇烈， 說明無織構(gòu)刀具在切削液潤滑下的摩擦性能較差； 干式激光加工織構(gòu)刀具的摩擦因數(shù)在0.25～0.3 之間， 相對于無織構(gòu)刀具摩擦因數(shù)降低了50.8%； 液體輔助激光加工織構(gòu)刀具摩擦因數(shù)最小，僅有0.12 左右， 相對于無織構(gòu)刀具摩擦因數(shù)降低了78.2%且最為平穩(wěn)， 表現(xiàn)出最好的減摩效果。

圖5 無織構(gòu)刀具及不同加工工藝織構(gòu)刀具摩擦因數(shù)曲線Fig.5 Curves of friction coefficient of textureless tools and textured tools with different processing technologies

圖6 所示為無織構(gòu)刀具、 干式激光加工織構(gòu)刀具和液體輔助激光加工織構(gòu)刀具與鈦合金球在切削液潤滑條件下摩擦1 800 s 后的表面磨損形貌。 可以看出，無織構(gòu)刀具［圖6 （a） ］ 表面的磨損區(qū)域很寬且磨痕較深， 附著了許多黑色黏結(jié)物， 說明發(fā)生了嚴(yán)重的黏 著 磨 損 和 疲 勞 磨 損［20］。 TC4 鈦 合 金 球 硬 度（30HRC） 明顯低于YG6 硬質(zhì)合金刀具（89.5HRA），磨損區(qū)域?qū)捳f明鈦合金球磨損嚴(yán)重， 摩擦副接觸面積大說明發(fā)生了嚴(yán)重的黏著磨損和疲勞磨損。 織構(gòu)刀具表面磨痕均出現(xiàn)不同程度的減輕， 說明在刀具表面加工織構(gòu)可以起到一定的抗磨作用。 干式激光加工織構(gòu)刀具［圖6 （b） ］表面的磨損區(qū)域較窄， 分布不均且磨痕深度較大， 這是因?yàn)榧す饧庸け砻娲嬖诘娜廴谖镂⑼蛊疠^為集中， 摩擦?xí)r對鈦合金球產(chǎn)生嚴(yán)重刮擦形成磨屑， 損壞的表面進(jìn)一步與磨屑顆粒接觸， 造成硬質(zhì)合金刀具表面磨損不均。 液體輔助激光加工織構(gòu)刀具［圖6 （c） ］ 表面的磨痕寬度介于無織構(gòu)刀具［圖6 （a） ］ 和干式激光加工織構(gòu)刀具［圖6 （b）］之間， 磨痕分布均勻且深度最淺， 表現(xiàn)出最好的減摩抗磨效果。 液體輔助激光加工過程中， 液體的存在可以減少激光熱影響區(qū)域， 產(chǎn)生空化泡帶離部分濺射出來的硬質(zhì)合金材料， 減少熔融物以及重鑄層的生成，獲得高質(zhì)量織構(gòu)表面， 達(dá)到最優(yōu)的減摩抗磨效果。

圖6 刀具表面磨損形貌Fig.6 Tool surface wear morphology： （a） textureless tools；（b） laser processing linear texture tool； （c） liquidassisted laser processing linear texture tool

表面織構(gòu)化和流體潤滑耦合作用是改善摩擦學(xué)性能的重要手段， 摩擦副相對運(yùn)動(dòng)時(shí)， 織構(gòu)凹坑與運(yùn)動(dòng)表面之間形成發(fā)散楔和收斂楔， 發(fā)散楔處產(chǎn)生氣穴使最低負(fù)壓值恒定， 而收斂楔處則會(huì)產(chǎn)生正壓力［21－22］，存在的壓力差使摩擦副之間幾乎不接觸， 從而產(chǎn)生流體動(dòng)壓潤滑， 達(dá)到增加油膜承載力和減小摩擦磨損的效果。 另一方面， 在摩擦副兩構(gòu)件潤滑摩擦過程中，摩擦產(chǎn)生的磨屑會(huì)隨著切削液的流動(dòng)進(jìn)入到織構(gòu)內(nèi)，使得加工工件表面磨屑量減少。 磨屑進(jìn)入到溝槽之后， 溝槽中儲(chǔ)存的切削液會(huì)被擠壓到表面上， 在接觸表面形成連續(xù)的潤滑膜， 起到持續(xù)潤滑作用［23］。

由圖7 （a） 可知： 在織構(gòu)單元表面分布了正、負(fù)壓區(qū)域， 潤滑油從左向右流動(dòng)， 到達(dá)織構(gòu)區(qū)域時(shí)空間變大， 形成發(fā)散間隙， 潤滑油膜壓力減小出現(xiàn)負(fù)壓， 壓力減小到極限值后會(huì)導(dǎo)致空穴現(xiàn)象的產(chǎn)生［24－25］。 潤滑油從織構(gòu)處進(jìn)入到無織構(gòu)區(qū)域時(shí)空間急劇變小， 形成收斂間隙， 使得壓力增大。 從圖7 （b）可以看出： 油膜承載能力還與織構(gòu)深度有關(guān)，當(dāng)織構(gòu)深度較大時(shí)， 凹槽底部的切削液出現(xiàn)回流現(xiàn)象， 進(jìn)入收斂間隙的潤滑油減少， 楔形效應(yīng)減弱， 油膜承載能力變小。 平面摩擦副中沒有發(fā)散和收斂間隙， 無法產(chǎn)生楔形效應(yīng)， 兩相對運(yùn)動(dòng)表面之間的潤滑油膜沒有流體動(dòng)壓承載能力。

3 結(jié)論

為改善激光加工織構(gòu)表面特征， 優(yōu)化并降低激光加工熱效應(yīng)對YG6 硬質(zhì)合金刀具表面規(guī)則織構(gòu)形貌及熔融物重鑄現(xiàn)象， 文中利用液體輔助激光加工技術(shù)制備出更高質(zhì)量的表面織構(gòu)， 通過對織構(gòu)形貌及摩擦因數(shù)的分析得出結(jié)論如下：

相同激光參數(shù)下干式激光加工所得織構(gòu)刀具表面有較多熔融物且分布集中， 出現(xiàn)了明顯的熱影響區(qū)，液體輔助激光加工所得織構(gòu)無明顯熔融物和熱影響區(qū)。

在潤滑摩擦狀態(tài)下， 織構(gòu)刀具均表現(xiàn)出較好的減摩效果。 無織構(gòu)刀具摩擦因數(shù)較大且波動(dòng)劇烈， 磨痕寬且深。 干式激光加工織構(gòu)刀具摩擦因數(shù)次之， 磨痕最窄、 深， 且分布不均勻。 液體輔助激光加工織構(gòu)刀具摩擦因數(shù)最小且最為平穩(wěn)， 相對于無織構(gòu)刀具的摩擦因數(shù)降低78.2%， 磨痕寬度介于無織構(gòu)刀具和干式激光加工織構(gòu)刀具之間， 磨痕淺說明刀具在液體環(huán)境中加工織構(gòu)可以很好地降低磨損， 提高刀具耐磨性和使用壽命。

織構(gòu)化表面在摩擦狀態(tài)下產(chǎn)生流體動(dòng)壓潤滑是因?yàn)闈櫥屯ㄟ^收斂區(qū)域時(shí)產(chǎn)生了楔形效應(yīng)， 使?jié)櫥湍か@得了承載能力， 平面摩擦副中沒有發(fā)散和收斂間隙， 所以無法產(chǎn)生楔形效應(yīng)， 因此無織構(gòu)刀具的摩擦因數(shù)較大， 磨損嚴(yán)重。

液體輔助激光加工織構(gòu)刀具表現(xiàn)出最好的減摩特性： 一方面在液體環(huán)境下可以獲得高質(zhì)量的織構(gòu)表面； 另一方面， 相同激光參數(shù)下液體輔助激光加工的織構(gòu)深度較小， 織構(gòu)內(nèi)部無潤滑油回流現(xiàn)象產(chǎn)生， 油膜承載能力最強(qiáng)。