微織構(gòu)刀具研究現(xiàn)狀及展望

戚凱峰 ，張春堂 ，趙成喜

（1.大連海洋大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116300；2.沈陽富創(chuàng)精密設(shè)備股份有限公司，沈陽 110168）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的高硬度、高強(qiáng)度和耐高溫等材料應(yīng)用到生產(chǎn)實踐中來，如何使它們成型成為一個難題。雖然目前有各種特種加工方法得以實現(xiàn)，但其高成本限制了其應(yīng)用，行之有效的仍是傳統(tǒng)的切削加工方式，這就對刀具切削性能和壽命等問題提出了較高要求。微織構(gòu)刀具的出現(xiàn)可以在不改變刀具原有材料的基礎(chǔ)上，通過合理構(gòu)造具有一定幾何形貌的前刀面達(dá)到改善刀具切削性能的目的，提高了刀具的使用壽命。目前對于微織構(gòu)刀具的研究主要集中在以下幾個方面。

1 微織構(gòu)刀具減磨機(jī)理

通過長期觀察和實踐發(fā)現(xiàn)，并不是越光滑的表面越耐磨，恰恰相反，往往具有一定微突起、微凹坑等微觀結(jié)構(gòu)的表面更耐磨，減阻性能更好[1-2]。在切削塑性金屬材料時，切削力和切削熱來源于被切金屬的彈塑性變形和前后刀面處的摩擦，尤其以前刀面處的擠壓摩擦磨損最為嚴(yán)重。前刀面處的摩擦通?？梢苑譃?個摩擦區(qū)，即內(nèi)摩擦區(qū)和外摩擦區(qū)，如圖1所示[3]。

圖1 前刀面處的摩擦區(qū)及應(yīng)力分布

其中85%以上前刀面處的摩擦力來源于內(nèi)摩擦，所以前刀面處產(chǎn)生的摩擦力可近似用內(nèi)摩擦來代替。通過觀察前刀面處摩擦區(qū)和應(yīng)力分布圖可以發(fā)現(xiàn)，內(nèi)摩擦區(qū)平均切應(yīng)力達(dá)到刀屑冷焊剪切強(qiáng)度τs，所以前刀面處的摩擦力可用刀屑實際接觸面積乘以冷焊剪切強(qiáng)度來計算，即：

由于前刀面處微織構(gòu)的出現(xiàn)，減少了前刀面與切屑的實際接觸面積Aa，進(jìn)而起到減磨和降低切削力的作用，同時由于前刀面散熱面積的增大，散熱條件得到改善，也降低了切削溫度。由上面公式似乎可以發(fā)現(xiàn)，刀屑實際接觸面積越小，摩擦力就越小。其實不然，Duan Ran等[4-5]在采用平行于主切削刃微溝槽切削實驗時發(fā)現(xiàn)，在溝槽的棱角處會形成衍生切屑并產(chǎn)生二次切削，如圖2所示。二次切削會增大切削變形、切削力和前刀面處的摩擦磨損。

圖2 衍生切屑形成原理

由于微凹槽的存在，同樣使刀屑高壓接觸面間具備了更好的儲存潤滑劑能力，無論是干式切削還是澆注切削液都比無織構(gòu)刀具表現(xiàn)出更好的自潤滑性能[6-8]。屠春娟等[6]研究了不同形貌微織構(gòu)陶瓷刀在添加MoS2固體潤滑劑后的自潤滑性能，指出點(diǎn)陣微坑狀織構(gòu)比直槽狀織構(gòu)更有利于儲存潤滑劑、獲得更好的潤滑性能。Hao Xiuqing等[7]在硬質(zhì)合金刀具前刀面上制備直線槽和直線槽、曲線槽相間條紋狀微織構(gòu)并添加MoS2固體潤滑劑進(jìn)行切削實驗，指出直線槽、曲線槽相間的條紋狀微織構(gòu)刀具具備更好的儲存潤滑劑能力，表現(xiàn)出更好的潤滑性能。由于在金屬切削過程中，切屑前刀面流出具有半流體流動特征，對于摩擦磨損機(jī)理還有待進(jìn)一步研究。

2 微織構(gòu)制備方法及特點(diǎn)

目前刀具微織構(gòu)的基本制造過程都是在刀具制造完成后，通過傳統(tǒng)切削或特種加工的方法在刀具前刀面制造出微結(jié)構(gòu)，主要加工方法有磨削加工、激光加工、電火花加工、電子束加工、離子束加工、超聲加工、化學(xué)刻蝕加工等[9-10]。常用加工方法特點(diǎn)對比如表1所示。

表1 微織構(gòu)常用加工方法特點(diǎn)

以上常見加工方法中以激光加工最為常用，目前的研究雖然取得一定成果，但是在刀具上加工微織構(gòu)成本比較高，實踐生產(chǎn)中仍未推廣應(yīng)用。

3 微織構(gòu)形式及其對切削性能的影響

對于不同刀具材料和不同的加工條件，為了尋求減磨降阻效果更好的微織構(gòu)，研究者們開發(fā)了大量形式各異的微織構(gòu)，比較典型的微觀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 典型微織構(gòu)

目前對于條形和點(diǎn)陣凹坑狀紋理的研究比較多，且紋理加工比較容易實現(xiàn)。不少學(xué)者對條形紋理進(jìn)行了深入研究并指出，平行于流屑方向的條紋容易獲得更好的減磨、降力、降溫效果[11]。Ma Jianfeng[12]對于條紋距離刀刃邊距及間距等幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，指出切削Ti-6Al-4V材料時條紋刃邊距為70～90μm時最合理，考慮到最小化三項切削力最小寬深比范圍為10～16時比較合理。李坤等[13]在研究Al7075-T6鋁合金切削時指出，織構(gòu)寬度為40μm、織構(gòu)刃邊距為80μm、織構(gòu)間距為70μm、織構(gòu)深度為20μm時，刀具的主切削力及切削溫度最低。OLLEAK A等[14]研究指出不等間距條紋比等間距條紋表現(xiàn)出更好的耐磨性能。

Shanmugasundaram Durairaj等[8]對凹坑狀微織構(gòu)的幾何參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，指出點(diǎn)陣孔的直徑是影響切削力、剪切角、6061鋁合金粘接的最重要參數(shù)，合理選擇點(diǎn)陣孔幾何參數(shù)可減小刀屑實際接觸面積的61%。Cui Xiaobin等[15]制備了凹坑與窄槽相間的微織構(gòu)，指出防鯊魚和蜣螂的微織構(gòu)刀具表現(xiàn)出更好的耐磨性能。

對于微織構(gòu)的研究目前主要集中于以下3個方面：1）利用仿生學(xué)等手段開發(fā)具有減磨降阻效果更好的微織構(gòu)；2）對表現(xiàn)較好的已有微織構(gòu)進(jìn)行幾何參數(shù)的優(yōu)化；3）將微織構(gòu)與自潤滑刀具和涂層刀具成型過程相結(jié)合，開發(fā)具有減磨、耐磨效果更好的刀具。

4 結(jié)論

高速干式硬切削是綠色制造技術(shù)研究重要內(nèi)容之一，其關(guān)鍵是如何進(jìn)一步提高刀具的切削性能，微織構(gòu)刀具以其優(yōu)越的性能表現(xiàn)越來越被業(yè)界所重視，以下幾個方面的問題則有待進(jìn)一步研究：1）充分利用仿生學(xué)技術(shù)，開發(fā)具有摩擦阻尼更小的微觀織構(gòu)；2）進(jìn)一步深入研究微織構(gòu)刀具減磨機(jī)理，根據(jù)加工條件構(gòu)造更適宜的微觀織構(gòu)；3）將微織構(gòu)刀具技術(shù)與涂層技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)造織構(gòu)化涂層，進(jìn)一步提升現(xiàn)有涂層刀具的切削性能；4）開發(fā)新的微織構(gòu)制造方法或工藝，降低微織構(gòu)刀具的制造成本，實現(xiàn)微織構(gòu)刀具的產(chǎn)業(yè)化。