刀具表面微織構(gòu)的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

王英姿

(濟(jì)南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022)

切削加工過程中，刀具表面與工件之間存在著劇烈的摩擦接觸，使得切削接觸區(qū)存在溫度高、刀具磨損快、切削力大以及工件表面質(zhì)量低等問題。尤其是在高速切削、干切削以及切削難加工材料過程中，切削力更大、溫度更高、切削環(huán)境極為惡劣，使得刀具壽命也隨之降低。

隨著對(duì)摩擦學(xué)研究不斷的深入，人們發(fā)現(xiàn)并不是表面越光滑摩擦學(xué)性能越優(yōu)異，反而是像穿山甲、魚鱗等具有微小結(jié)構(gòu)的表面，具有高耐性磨、低摩擦系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)。刀具表面微織構(gòu)是指利用生物仿生學(xué)原理，在摩擦表面加工出一定尺寸、形狀的微米級(jí)結(jié)構(gòu)[1]，從而提升刀具的切削性能以及摩擦學(xué)性能。在刀具發(fā)生摩擦的區(qū)域加工出一些微坑或微溝槽陣列結(jié)構(gòu)，更有利于潤滑介質(zhì)的滲入、成膜，有助于提高潤滑效果，起到減摩的作用；從而抑制工件材料粘刀現(xiàn)象，減緩刀具磨損，延長刀具耐用度。近年來，對(duì)刀具表面織構(gòu)的研究越來越多，人們對(duì)刀具表面織構(gòu)的認(rèn)識(shí)越來越深刻。表面微織構(gòu)具有減少刀-屑接觸長度、存儲(chǔ)潤滑劑和捕捉磨屑等作用[2]，已經(jīng)成功應(yīng)用在刀具表面上[3]。微織構(gòu)形貌從最初的凹坑、凹槽 凸包狀，變?yōu)楦鼜?fù)雜的正弦、橢圓、圓陣列和魚鱗狀等[4]，如圖1所示。不同形狀的微織構(gòu)對(duì)刀具表面的摩擦學(xué)性能的影響必然不同。因此，研究不同微織構(gòu)的形貌，將明顯提高刀具的使用壽命和摩擦學(xué)性能，并降低切削過程的切削力和切削溫度，改善工件表面的加工質(zhì)量[5]。

1 微織構(gòu)加工方法及形貌

與傳統(tǒng)的刀具相比，微織構(gòu)刀具的使用壽命、摩擦學(xué)性能明顯提高，并且具有儲(chǔ)存潤滑劑、減少刀-屑接觸長度、降低切削力和切削溫度等優(yōu)點(diǎn)。目前常用的微織構(gòu)加工方法包括：激光加工[6]、電火花加工[7]、光刻技術(shù)[8]、磨料射流加工[9]、磨削加工[10]、聚焦離子束加工[11]等，在刀具方面應(yīng)用廣泛的為激光加工、電火加工和光刻技術(shù)。

1.1 微織構(gòu)的激光加工技術(shù)

激光加工是通過將光束聚焦，使焦點(diǎn)位置獲得極高的能量密度和溫度，使加工材料熔蝕的加工方法，具有加工可控性好、加工速度快和加工精密高等優(yōu)點(diǎn)。加工過程能量密度高，熱影響區(qū)較小，加工變形較小，表面質(zhì)量較高，且無噪聲，加工尺度可達(dá)納米級(jí)，但加工設(shè)備比較昂貴。

Da等[12]采用Nd：YAG激光加工技術(shù)，在硬質(zhì)合金涂層刀具表面制備了微凹槽織構(gòu)(深約2.05 μm)，刀具及織構(gòu)形貌如圖2所示，并與無織構(gòu)刀具共同進(jìn)行車削ABNT/AISI 1050鋼材的對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，具有微凹槽織構(gòu)的刀具壽命明顯高于無織構(gòu)刀具；但在微動(dòng)磨損試驗(yàn)中，由于微凹槽織構(gòu)的存在，使得刀具硬度降低，從而導(dǎo)致織構(gòu)刀具的磨損率高于無織構(gòu)刀具。高鵬等[13]利用激光加工技術(shù)在AlCrN涂層刀具表面制備了深35 μm、寬50 μm的溝槽微織構(gòu)，微織構(gòu)之間的距離分別為300 μm、400 μm和500 μm，在載荷為10 N條件下，與45淬火鋼球?qū)δ?。結(jié)果表明，間距為400 μm的微織構(gòu)與淬火鋼對(duì)磨時(shí)，摩擦系數(shù)最小。邢佑強(qiáng)等[14]利用激光打標(biāo)機(jī)在AlCrN涂層表面制備了傾斜角度不同的凹槽微織構(gòu)(圖3)，并與鋼球?qū)δ?，微織?gòu)與摩擦方向分別呈0°、45°和90°。結(jié)果表明，與摩擦方向呈0°的微織構(gòu)表現(xiàn)出的摩擦學(xué)性能最為優(yōu)異，與其它兩種微織構(gòu)相比表面粘結(jié)現(xiàn)象更輕，且對(duì)磨球的磨損體積最小。王震等[15]利用HGL- LSY5OF型激光打標(biāo)機(jī)在硬質(zhì)合金表面加工出微坑陣列，微坑直徑為φ100 μm，深度20 μm，間距為200 μm，并與鈦合金(Ti6A14V)進(jìn)行摩擦試驗(yàn)。結(jié)果表明，制備了微織構(gòu)的硬質(zhì)合金表面摩擦學(xué)性能得到明顯改善，在低速重載和高速中載的情況下，具有向好的減磨效果。張貴梁等[16]利用XCGX-20W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微織構(gòu)，織構(gòu)深20 μm，寬40 μm，微織構(gòu)間距分別為400 μm、500 μm和600 μm(圖4)，分別與Al2O3陶瓷球?qū)δ?。結(jié)果表明，制備了正弦波形微織構(gòu)的硬質(zhì)合金表面摩擦系數(shù)均低于直線型微織構(gòu)表面。

(a)凸包 (b)凹坑 (c)凹槽 (d)鱗片圖1 織構(gòu)形貌Fig.1 Texture morphology

(a)無織構(gòu)刀具 (b)微凹槽織構(gòu)刀具 (c)微凹槽織構(gòu)形貌圖2 刀具及織構(gòu)形貌Fig. 2 Cutting tools and texture morphology

(a)0° (b)45° (c)90°圖3 不同角度凹槽微織構(gòu)Fig. 3 Micro texture of grooves with different angles

(a)正弦d=400 μm (b)正弦d=500 μm (c)正弦d=600 μm

(d)直線d=400 μm (e)直線d=500 μm (f)直線d=600 μm圖4 不同間距的正弦、直線溝槽微織Fig. 4 Micro weaving of sinusoidal and linear grooves with different distances

1.2 微織構(gòu)的電火花加工技術(shù)

電火花加工是利用工具電極與工件電極之間脈沖性火花放電，并產(chǎn)生高溫來熔蝕工件材料的加工方法。電火花加工方法能夠加工各種硬、脆和高熔點(diǎn)的導(dǎo)電材料，可加工深孔、曲面以及復(fù)雜形狀工件。加工尺度受工具電極影響，加工尺度在微米級(jí)，而且要求工件具有導(dǎo)電性。對(duì)一些非導(dǎo)電材料的加工工序較為復(fù)雜，加工效率較低，對(duì)工件燒蝕較為嚴(yán)重，加工表面精度相對(duì)較低。

宋文龍等[17]通過電火花加工技術(shù)在硬質(zhì)合金表面制備直徑φ為35 μm，深1 mm的微孔，并填充MoS2固體潤滑劑，對(duì)45鋼進(jìn)行切削試驗(yàn)。結(jié)果表明，微孔具有存儲(chǔ)潤滑劑的作用，并在切削過程中，潤滑劑從微孔中析出，在硬質(zhì)合金表面行程潤滑膜，能夠顯著降低摩擦系數(shù)，減小切削力。吳澤等[18-20]利用電火花加工技術(shù)，在硬質(zhì)合金表面加工了直徑φ為0.15 mm、深度0.3 mm的凹坑微織構(gòu)(圖5(a)、(b))。此外，還利用激光加工技術(shù)，在刀具表面制備了橢圓形微織構(gòu)(圖5(c))，并通過有限元分析。微織構(gòu)的存在對(duì)刀具前刀面的應(yīng)力分布無明顯影響，并且能夠降低切削力和切削溫度，減輕前刀面的磨損。

(a)3微孔織構(gòu) (b)4微孔織構(gòu) (c)橢圓微織構(gòu)圖5 電火花及激光加工微織構(gòu)Fig. 5 micro texture of electric spark and laser machining

1.3 微織構(gòu)的光刻加工技術(shù)

光刻技術(shù)是將照相復(fù)制與化學(xué)腐蝕相結(jié)合，在加工材料表面制備所需圖形的加工方法，該技術(shù)多用于半導(dǎo)體元件以及集成電路的制備。文獻(xiàn)報(bào)道一些學(xué)者將該技術(shù)應(yīng)用到微織構(gòu)的加工，加工尺度在微米級(jí)，加工工件表面質(zhì)量高。與激光加工以及電火花加工技術(shù)相比，光刻加工的深度較淺，成本較高。

Toshiyuki等[21]利用光刻技術(shù)在硬質(zhì)合金刀具表面制備了4種不同形狀的微織構(gòu)，包括：凹坑點(diǎn)陣、凸點(diǎn)陣列、垂直于主切削刃的凹槽和平行于主切削刃的凹槽，微織構(gòu)形貌如圖6所示；并在表面涂覆金剛石薄膜(DLC)或TiN，進(jìn)行對(duì)鋁合金的切削試驗(yàn)。結(jié)果表明，平行于主切削刃的凹槽織構(gòu)和凸點(diǎn)陣列能夠有效地減小摩擦力和降低摩擦系數(shù)，并且微織構(gòu)間距為25 μm的減磨效果優(yōu)于間距為50 μm和100 μm的微織構(gòu)。

(a)凹坑點(diǎn)陣 (b)凸點(diǎn)陣列

(c)垂直于主切削刃的凹槽 (d)平行于主切削刃的凹槽圖6 DLC微織構(gòu)刀具Fig. 6 DLC micro texture

1.4 微織構(gòu)的其他加工方法

Pankaj等[22]利用聚焦離子束技術(shù)(FIB)在刀具上制備了3種不同形狀的微織構(gòu)，如圖7所示；并對(duì)鈦合金(Ti6A14V)進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，正方形和圓形織構(gòu)刀具表面的粘結(jié)現(xiàn)象得到明顯改善，切削力隨著織構(gòu)的寬度和深度的增加而減小，且隨著織構(gòu)間距的增加而增加；其中，正方形織構(gòu)刀具的切削力、摩擦系數(shù)最低，刀具使用壽命得到明顯提高，并且微織構(gòu)可以用作固體潤滑劑的存儲(chǔ)。

(a)直線凹槽 (b)方形凹槽 (c)圓形凹槽圖7 微織構(gòu)形貌Fig. 7 micro texture morphology

2 表面織構(gòu)刀具的作用機(jī)理

微織構(gòu)刀具的減磨機(jī)理主要分為兩方面：第一，由于材料表面具備許多微織構(gòu)，可以減小刀屑接觸面積，降低切削力和切削溫度； 其次，微織構(gòu)具有存儲(chǔ)潤滑劑的作用，能夠提高在切削過程中的潤滑效果。

鄧建新等[23]研究了織構(gòu)化硬質(zhì)合金刀具材料表面的減摩機(jī)理。將織構(gòu)化硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行干切削，在刀-屑接觸區(qū)形成潤滑膜的情況下，刀具前刀面的摩擦力Ff可以由式(1)計(jì)算：

Ff=αwlfτc

(1)

其中:lf是刀屑接觸長度，aw是切削寬度，τc是刀屑間潤滑膜的剪切強(qiáng)度。而切削合力Fr，主切削力Fz，背向力Fy可以由式(2)、(3)、(4)計(jì)算所得：

(2)

(3)

(4)

其中β是摩擦角，Υ0是前角。由式(2)、(3)、(4)可知切削合力Fr，主切削力Fz，背向力Fy是與潤滑膜的剪切強(qiáng)度以及刀屑間接觸長度lf成線性關(guān)系。圖8分別表示出3種不同刀具(傳統(tǒng)刀具CT、織構(gòu)化刀具TT、WS2涂層織構(gòu)化刀具TT-WS2)的刀屑接觸長度的原理圖?？梢钥闯鯰T刀具的刀屑接觸長度由于織構(gòu)的存在與CT刀具相比會(huì)有減少，實(shí)際接觸長度可以表示為：

(5)

宋文龍等[24]研究了填裝MoS2的織構(gòu)化硬質(zhì)合金刀具材料表面的減摩機(jī)理，如圖9(a)所示。微織構(gòu)自潤滑刀具試樣表面在摩擦剛開始階段，由于沒有外力作用固體潤滑劑無法從微織構(gòu)中析出；當(dāng)摩擦副開始相對(duì)運(yùn)動(dòng)，由于對(duì)磨球的摩擦和擠壓作用，固體潤滑劑從微孔中析出，并在摩擦副表面粘著、拖覆，參與到摩擦運(yùn)動(dòng)過程中(圖9(b))。由于固體潤滑劑MoS2具有較低的硬度、剪切強(qiáng)度以及良好的附著性能，能夠有效減緩摩擦副之間的摩擦力，降低摩擦系數(shù)；但由于此時(shí)表面沒有形成較完整的潤滑層，摩擦系數(shù)仍然相對(duì)較高，波動(dòng)較大。隨著摩擦的進(jìn)行，由于MoS2具有良好的附著性能，固體潤滑劑在表面大量粘著、拖覆，并形成一層穩(wěn)定的潤滑膜層(圖9(c))，使摩擦發(fā)生在潤滑膜內(nèi)部，從而改善摩擦副的對(duì)磨條件，改善微織構(gòu)刀具的摩擦性能。

(a)滑動(dòng)開始前 (b)滑動(dòng)初始階段 (c)穩(wěn)定滑動(dòng)階段圖9 織構(gòu)表面潤滑膜形成示意圖Fig. 9 schematic diagram of the formation of the lubricating film on the texture surface

3 結(jié)束語

微織構(gòu)刀具是將刀具表面加工出各種不同微織構(gòu)形貌以提高刀具表面摩擦學(xué)性能的新型刀具。在刀具表面可制備各種相貌的微織構(gòu)，包括：凹槽、凹坑、凸包、正弦波形、正方形、圓形和橢圓形等多種微織構(gòu)，研究了摩擦角度及微織構(gòu)間距、深度、寬度等參數(shù)對(duì)摩擦學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，微織構(gòu)刀具在改善刀-屑接觸面積、降低切削力和切削溫度等方面效果顯著。今后進(jìn)一步應(yīng)研究微織構(gòu)不同間距、深度、寬度和形貌對(duì)刀具性能的影響，從而制備出性能更為優(yōu)異的微織構(gòu)刀具。