(河南科技學(xué)院機(jī)電學(xué)院 河南新鄉(xiāng) 453003)

金屬切削過(guò)程中，刀具切削部分在很大切削力及很高溫度下與切屑和工件發(fā)生相對(duì)摩擦，致使刀具快速磨損，切削能耗增大，刀具使用壽命降低，工件質(zhì)量變差，限制了機(jī)械加工行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展[1-3]。切削液作為改善金屬切削過(guò)程、提高加工效率的一種方法，被廣泛用于金屬加工中。研究表明[4-5]，只有切削液滲入到刀-屑界面并形成邊界潤(rùn)滑膜，其效能才得以充分發(fā)揮。由此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)切削液滲入刀-屑界面的機(jī)制進(jìn)行了研究。MERCHANT[6]用顯微鏡觀察的方法，發(fā)現(xiàn)刀-屑界面存在直徑約為0.2 μm的微通道。CASSIN和BOOTHROYD[7]對(duì)影響切削液作用效果的因素進(jìn)行了研究，得出切削液由刀-屑界面微通道擴(kuò)散至刀-屑界面之間，并與切屑形成邊界膜，降低刀-屑界面的摩擦。WILLIAMS、TABOR[8-9]通過(guò)切削實(shí)驗(yàn)證明，切削液在毛細(xì)管力的作用下由微通道進(jìn)入刀-屑界面，降低了刀-屑界面的摩擦力。韓榮第等[10-11]發(fā)現(xiàn)刀-屑界面存在一定的微通道，切削液在毛細(xì)管力的作用下進(jìn)入刀-屑界面之間，并給出切削液鋪展的動(dòng)力學(xué)模型。以上研究均表明切削液是在毛細(xì)管力的作用下由微通道進(jìn)入刀-屑界面之間，刀-屑界面的接觸及微通道分布特性直接決定切削液的滲入效果和使用效率。

近年來(lái)，鑒于切削液造成的環(huán)境污染加重和加工成本的上升，刀具表面微織構(gòu)技術(shù)被提出，以此改變切削液在刀-屑界面的滲入特性，提高切削液使用效率，改善金屬切削過(guò)程。ENOMOTO、SUGIHARA等[12-14]在DLC涂層刀具上加工了微槽陣列，并進(jìn)行鋁合金切削試驗(yàn)，研究表明，濕切削條件下，織構(gòu)刀具的抗黏附特性得到明顯提高。KAWASEGI等[15]研究了微織構(gòu)方向?qū)Φ毒咔邢餍阅艿挠绊懀l(fā)現(xiàn)平行主切削刃方向的微織構(gòu)效果最好，降低了刀具的黏接磨損。KUBIAK等[16]研究發(fā)現(xiàn)，微織構(gòu)對(duì)切削液在前刀面上的濕潤(rùn)性產(chǎn)生影響，使切削液的滲入效果發(fā)生改變。KOSHY和TOVEY[17]利用電火花加工技術(shù)在刀具前刀面上加工出離散和連續(xù)2種類(lèi)型微織構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)，微織構(gòu)促進(jìn)了切削液在刀-屑界面的滲入，改善了刀-屑界面的摩擦狀態(tài)。以上研究均表明刀具表面微織構(gòu)能改善金屬切削過(guò)程，促進(jìn)切削液在刀-屑界面的滲入。

盡管切削液的作用效果及微織構(gòu)刀具對(duì)金屬切削過(guò)程的影響研究已經(jīng)很多，但微織構(gòu)對(duì)刀-屑界面微通道分布及切削液的作用機(jī)制等的研究較少，而這對(duì)切削液使用效率的提升及微織構(gòu)刀具的設(shè)計(jì)都有著重要意義。鑒于刀-屑界面黏結(jié)區(qū)切削液不能滲入，本文作者建立了滑移區(qū)的接觸數(shù)值模型，研究了滑移區(qū)的微通道分布特性，分析了微織構(gòu)作用機(jī)制，為切削液在刀-屑界面滲入的量化研究及織構(gòu)刀具的設(shè)計(jì)提供理論參考。

1 數(shù)值模型建立

1.1 粗糙刀具表面數(shù)值模型

刀具切削時(shí)，切屑在高溫、高壓下沿刀具上表面滑出，由于切屑硬度小于刀具，刀-屑界面微通道形成及分布特性主要取決于刀具上表面。在此將刀具和切屑之間的接觸簡(jiǎn)化為粗糙-光滑表面接觸，切屑底面簡(jiǎn)化為光滑表面，刀具表面為粗糙表面，其粗糙度為刀-屑界面綜合粗糙度值：

(1)

式中：σ為刀具表面綜合粗糙度，μm；σ1為刀具表面實(shí)際粗糙度，μm；σ2為切屑底面實(shí)際粗糙度，μm。

刀具表面粗糙度分布取為空間坐標(biāo)的隨機(jī)函數(shù)，隨機(jī)過(guò)程產(chǎn)生的自仿射分形函數(shù)采用Gauss分布函數(shù)：

(2)

在生成均值0，均方根值σ的正態(tài)分布隨機(jī)序列后，通過(guò)卷積運(yùn)算把獨(dú)立的Gauss隨機(jī)序列轉(zhuǎn)換為數(shù)字化的隨機(jī)表面，其高斯數(shù)字濾波函數(shù)為

(3)

式中：T為自相關(guān)長(zhǎng)度。

刀-屑界面黏結(jié)區(qū)內(nèi)實(shí)際接觸面積接近名義接觸面積，切削液不能滲入，對(duì)切削液使用效率的提升影響不大，文中主要分析滑移區(qū)的接觸及微通道分布特性。鑒于刀-屑界面接觸長(zhǎng)度一般在0.5～1.5 mm之間，且切削模型多可轉(zhuǎn)化為平面應(yīng)變問(wèn)題[18]，在此將滑移區(qū)用正方形模型表征，邊長(zhǎng)L取1 mm，網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)100×100，z方向上平均高度0，均方根值σ設(shè)為刀具表面綜合粗糙度0.4 μm。刀具粗糙表面視為各向同性，x、y方向的自相關(guān)長(zhǎng)度均取1，數(shù)值模型如圖1所示。

1.2 微織構(gòu)數(shù)值模型

刀具表面微織構(gòu)類(lèi)型較多[12-17]，在此選常用的圓柱微織構(gòu)作為研究對(duì)象?？棙?gòu)參數(shù)如下：微織構(gòu)直徑80 μm，深10 μm，面積密度20%，微織構(gòu)間距150 μm，微織構(gòu)孔中心與主、副切削刃的距離為150 μm，數(shù)值模型如圖2所示。

圖2 微織構(gòu)粗糙刀具表面數(shù)值模型

1.3 滑移區(qū)接觸數(shù)值模型

金屬切削過(guò)程中，刀-屑界面正應(yīng)力呈指數(shù)形式分布，在切削刃處最大，刀-屑界面分離處為0，且滑移區(qū)內(nèi)刀-屑界面摩擦應(yīng)力與正應(yīng)力的比值為常數(shù)[19]，可得滑移區(qū)內(nèi)摩擦應(yīng)力表述形式：

(4)

式中：σ0為刀具切削刃處的正應(yīng)力，MPa；τ(x)為滑移區(qū)內(nèi)摩擦應(yīng)力，MPa；μ為滑移區(qū)內(nèi)摩擦因數(shù)；x為滑移區(qū)內(nèi)一點(diǎn)到黏結(jié)區(qū)與滑移區(qū)臨界點(diǎn)的距離，mm；l為滑移區(qū)長(zhǎng)度，mm；ξ為應(yīng)力分布系數(shù)，根據(jù)加工條件可為2或3。

忽略犁溝力作用，僅認(rèn)為摩擦應(yīng)力由黏結(jié)點(diǎn)剪切變形引起，可得滑移區(qū)內(nèi)摩擦應(yīng)力的另一種表述形式：

(5)

式中：A/A0為滑移區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的實(shí)際接觸面積與名義接觸面積比；τs為滑移區(qū)內(nèi)黏結(jié)點(diǎn)材料的剪切屈服應(yīng)力，MPa。

由式(4)、(5)得到滑移區(qū)內(nèi)不同點(diǎn)的真實(shí)接觸面積與名義接觸面積比：

(6)

在黏結(jié)區(qū)與滑移區(qū)的臨界點(diǎn)處，刀-屑界面實(shí)際接觸面積接近于名義接觸面積，即A/A0=1；在刀-屑界面分離處，實(shí)際接觸面積等于0，即A/A0=0。代入式(6)得到滑移區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的量綱一化長(zhǎng)度與接觸面積比關(guān)系：

A′=(1-x′)ξ

(7)

式中：A′為刀-屑界面滑移區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的接觸面積比；x′為刀-屑界面滑移區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的量綱一化長(zhǎng)度。

由上述分析可知：在黏結(jié)區(qū)與滑移區(qū)的臨界點(diǎn)處實(shí)際接觸面積比為1，空體面積比為0；在刀-屑界面分離處實(shí)際接觸面積比為0，空體面積比為1。具體數(shù)值如圖3所示。

圖3 滑移區(qū)各點(diǎn)量綱一化長(zhǎng)度與面積比關(guān)系

由于刀具表面為隨機(jī)粗糙表面，在不同接觸高度上其接觸面積比不同，利用已生成的粗糙刀具表面數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)出接觸面積比與刀-屑界面接觸高度的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 接觸面積比與界面接觸高度關(guān)系

得到接觸面積比與界面接觸高度的關(guān)系后，根據(jù)公式(7)得到滑移區(qū)內(nèi)各點(diǎn)的量綱一化長(zhǎng)度與界面接觸高度之間的關(guān)系，如圖5所示。

圖5 滑移區(qū)量綱一化長(zhǎng)度與界面接觸高度關(guān)系

1.4 刀-屑界面接觸二值圖像

將粗糙刀具表面高度等分成100份，并得到各點(diǎn)高度值，將粗糙度大于設(shè)定高度值的點(diǎn)設(shè)為黑色，小于設(shè)定高度值的點(diǎn)設(shè)為白色，得到不同接觸高度界面的二值圖像，如圖6所示。

圖6 滑移區(qū)不同接觸高度的二值圖像(h為界面接觸高度)

2 數(shù)值結(jié)果及分析

2.1 滑移區(qū)微通道分布特性分析

由圖6可以看出：當(dāng)接觸高度從最低向上移動(dòng)的過(guò)程中，滑移區(qū)界面表現(xiàn)出3種不同的宏觀微通道分布特性，分別為：未形成微通道(如圖6(a)、(b)、(c)所示)，微通道形成(如圖6(d)、(e)、(f)所示)及微通道消散(如圖6(g)、(h)、(i)所示)。將未形成微通道和形成微通道的臨界接觸高度值定義為hc1，將形成微通道與微通道消散的臨界接觸高度值定義為hc2。由此可得：當(dāng)接觸高度小于hc1時(shí)，刀-屑界面只存在零散分布的微小空體，不存在微通道，致使切削液無(wú)法進(jìn)入到該區(qū)域內(nèi)形成邊界潤(rùn)滑層，在此稱(chēng)為近黏結(jié)區(qū)；當(dāng)接觸高度大于hc1小于hc2時(shí)，刀-屑界面存在大量的微通道，切削液在毛細(xì)管力的作用下由微通道進(jìn)入刀-屑界面，微通道的連通性及切削液在微通道中的鋪展特性直接決定切削液的使用效果，在此稱(chēng)為微通道區(qū)；當(dāng)接觸高度大于hc2時(shí)，微通道相互連接成為面，微通道近乎消失，切削液可以順利進(jìn)入刀-屑界面之間，在此稱(chēng)為近分離區(qū)。

由上述分析可知，在近黏結(jié)區(qū)，由于界面不存在微通道，切削液不能進(jìn)入刀-屑界面之間，而該區(qū)正應(yīng)力又不足以使界面發(fā)生黏結(jié)，故以干摩擦為主。處于該區(qū)的微織構(gòu)不能起存儲(chǔ)和增加切削液鋪展的作用，其作用機(jī)制可分為2種情況：一是切屑沿刀具表面均勻滑動(dòng)，切屑材料沒(méi)有進(jìn)入微織構(gòu)孔內(nèi)，微織構(gòu)減小了界面干摩擦面積，降低了摩擦力，起到積極作用；另一種是界面正應(yīng)力大，切屑溫度高、流動(dòng)性好，切屑部分材料在壓應(yīng)力的作用下部分進(jìn)入到微織構(gòu)孔內(nèi)，增大了界面摩擦力，也造成微織構(gòu)孔被切屑填滿，起相反作用。綜合得出，不管近黏結(jié)區(qū)微織構(gòu)處于哪種情況，其潤(rùn)滑效果均不佳，這與現(xiàn)有研究所得到的微織構(gòu)在干切削條件下效果不明顯[12,14,17]的結(jié)論基本一致。

在近分離區(qū)，由于界面連通性非常好，切削液能順利地進(jìn)入刀-屑界面之間，充滿整個(gè)微織構(gòu)空間，使界面得到更好的潤(rùn)滑、冷卻，減小了刀具和切屑的黏結(jié)，加速了切屑在刀具表面的分離，減小了刀-屑界面接觸長(zhǎng)度，這與相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究的結(jié)論[14,17]基本一致。

在微通道區(qū)，切削液的使用效果主要由微通道的連通性及切削液在微通道中的鋪展特性這兩個(gè)因素決定[8-11]，如果微通道的連通性及切削液在微通道中的鋪展特性好，則切削液的冷卻、潤(rùn)滑效果好，反之，效果差。微織構(gòu)在此區(qū)的主要作用為增加微通道的連通性和存儲(chǔ)一定的切削液，提高刀-屑界面的潤(rùn)滑、冷卻效果，改善刀-屑界面摩擦學(xué)特性。

由上述分析可知，提高切削液使用效率的潛在空間在微通道區(qū)，提高的方法有增大微通道的連通性或提升切削液在微通道中的鋪展特性。

2.2 界面接觸高度閾值分析

逾滲理論是處理強(qiáng)無(wú)序和具有隨機(jī)幾何結(jié)構(gòu)系統(tǒng)常用的理論方法之一，已廣泛用于物理、化學(xué)、生物及社會(huì)現(xiàn)象[20-22]。通過(guò)逾滲模型可以得到一些物理現(xiàn)象的閾值，對(duì)一些隨機(jī)無(wú)序現(xiàn)象進(jìn)行定量分析，在此利用逾滲模型確定臨界高度值hc1、hc2。

設(shè)滑移區(qū)空體面積比隨界面接觸高度變化出現(xiàn)的概率為P，在黏結(jié)與滑移區(qū)的臨界點(diǎn)處P=0，在刀-屑界面分離處P=1，并隨接觸高度的增加P逐漸增大，當(dāng)P=Pc時(shí)，界面出現(xiàn)貫通通道。刀-屑界面微通道在逾滲模型中看做空體集團(tuán)，微通道的數(shù)量即為空體集團(tuán)的數(shù)量，微通道的長(zhǎng)度即為空體集團(tuán)的相關(guān)長(zhǎng)度。利用自編Matlab程序計(jì)算出不同界面高度上的空體面積比與空體集團(tuán)數(shù)量的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，如圖7所示?？煽闯觯嚎阵w集團(tuán)數(shù)量歷經(jīng)3個(gè)變化階段，分別為基本穩(wěn)定階段、快速增加減少階段、消失階段。在基本穩(wěn)定階段，空體集團(tuán)數(shù)量很少，說(shuō)明界面僅存在隨機(jī)分布的零散小集團(tuán)，沒(méi)有形成微通道；在快速增加減少階段，空體集團(tuán)數(shù)量歷經(jīng)急劇增加后又急劇減少，說(shuō)明空體集團(tuán)數(shù)量很多，并相互連接形成微通道；在消失階段，空體集團(tuán)數(shù)量趨于0，說(shuō)明空體集團(tuán)相互連接到一定程度后快速形成面，微通道消失。由此基本確定3種接觸特性區(qū)的臨界空體面積比為22%、82%。

圖7 滑移區(qū)空體面積比與空體集團(tuán)數(shù)量關(guān)系

得到臨界空體面積比后，由圖4所示接觸面積比與界面接觸高度關(guān)系，求得界面接觸臨界高度值hc1=-0.095 μm，hc2=0.112 μm，如圖8所示。

圖8 滑移三區(qū)面積比與界面接觸高度關(guān)系

從而將界面接觸高度分成3個(gè)區(qū)間：0.462 4～0.112 μm，0.112～-0.095 μm，-0.095～0.473 4 μm，相應(yīng)為近分離區(qū)、微通道區(qū)、近黏結(jié)區(qū)(圖8中對(duì)應(yīng)空體面積比曲線，當(dāng)對(duì)應(yīng)實(shí)際接觸面積比曲線時(shí)，將空體面積比對(duì)應(yīng)折算為實(shí)體面積比)。

2.3 微通道三特性區(qū)長(zhǎng)度分析

根據(jù)臨界空體面積比及圖3所示滑移區(qū)各點(diǎn)無(wú)量綱長(zhǎng)度與面積比關(guān)系，得出近黏結(jié)區(qū)、微通道區(qū)、近分離區(qū)所對(duì)應(yīng)的滑移區(qū)量綱一化長(zhǎng)度范圍，如圖9所示?？梢钥闯觯夯茀^(qū)量綱一化長(zhǎng)度在0～0.08范圍內(nèi)時(shí)，刀-屑界面特性為近黏結(jié)特性；滑移區(qū)量綱一化長(zhǎng)度在0.08～0.44范圍內(nèi)時(shí)，刀-屑界面特性為微通道特性；滑移區(qū)量綱一化長(zhǎng)度在0.44～1范圍內(nèi)時(shí)，刀-屑界面特性為近分離特性(與圖9空體面積比曲線對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)實(shí)際接觸面積比時(shí)把空體面積比對(duì)應(yīng)折算為實(shí)體面積比)。

圖9 滑移區(qū)量綱一化長(zhǎng)度與空體面積比關(guān)系

由圖8、圖9得到滑移區(qū)量綱一化長(zhǎng)度與界面接觸高度對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖10所示。

圖10 滑移區(qū)量綱一化長(zhǎng)度與界面接觸高度關(guān)系

由圖9、圖10可得：近黏結(jié)區(qū)占整個(gè)滑移區(qū)的8%左右，微通道區(qū)占36%左右，近分離區(qū)占56%左右。表明滑移區(qū)主要由微通道區(qū)和近分離區(qū)組成，其特性受微通道和近分離區(qū)影響較大。對(duì)提高切屑液使用效率而言，近黏結(jié)區(qū)和近分離區(qū)改變空間較小，微通道區(qū)改變空間最大。

2.4 應(yīng)力分布系數(shù)影響分析

金屬切削過(guò)程中，刀-屑界面應(yīng)力分布系數(shù)隨加工參數(shù)的改變而變化，應(yīng)力分布系數(shù)常取2或3。為得到應(yīng)力分布系數(shù)對(duì)金屬切削過(guò)程的影響，研究了應(yīng)力分布系數(shù)與滑移區(qū)特性的關(guān)系，如圖11、圖12所示。

圖11 滑移區(qū)量綱一化長(zhǎng)度與空體面積比關(guān)系

圖12 滑移區(qū)量綱一化長(zhǎng)度與接觸高度關(guān)系

由圖11、圖12可看出：不同應(yīng)力分布系數(shù)下滑移區(qū)始終存在3個(gè)特性區(qū)，表明應(yīng)力分布系數(shù)不會(huì)影響接觸特性區(qū)的個(gè)數(shù)；其次，應(yīng)力分布系數(shù)發(fā)生改變時(shí)，3個(gè)特性區(qū)的長(zhǎng)度相應(yīng)改變，表明應(yīng)力分布系數(shù)會(huì)影響各區(qū)的范圍；再者，不同應(yīng)力分布系數(shù)對(duì)界面接觸高度閾值及接觸高度范圍沒(méi)有影響。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因?yàn)?，?yīng)力分布系數(shù)是刀-屑界面應(yīng)力分布的參數(shù)，指數(shù)越小，刀-屑界面的應(yīng)力降低速度越慢，近黏結(jié)區(qū)、微通道區(qū)范圍增大，近分離區(qū)范圍減小，但不影響各區(qū)的存在。而臨界接觸高度閾值取決于界面微通道數(shù)量，而微通道數(shù)量與刀具界面的粗糙度相關(guān)，與表面應(yīng)力分布無(wú)關(guān)。

3 結(jié)論

(1)織構(gòu)刀-屑界面滑移區(qū)依據(jù)切削液滲入程度存在3種摩擦特性，在近黏結(jié)區(qū)，由于不存在切削液滲入的微通道，刀-屑界面以干摩擦為主，微織構(gòu)的主要作用為降低刀-屑界面摩擦面積；在微通道區(qū)，微通道的連通性及切削液在微通道的鋪展特性對(duì)切削液的作用效果有重要影響，微織構(gòu)主要起連接微通道的作用，切削液存在部分谷體內(nèi)，界面同時(shí)存在干摩擦和混合摩擦；在近分離區(qū)，微通道消失，微織構(gòu)主要起存儲(chǔ)切削液的作用，該區(qū)以邊界摩擦為主。

(2)逾滲模型可統(tǒng)計(jì)出滑移區(qū)空體集團(tuán)數(shù)量的變化規(guī)律，得到臨界接觸高度閾值hc1及hc2，根據(jù)此閾值將滑移區(qū)分為3個(gè)特性區(qū)，得到各區(qū)量綱一化長(zhǎng)度范圍。

(3)滑移區(qū)中3個(gè)特性區(qū)的長(zhǎng)度不同，近黏結(jié)區(qū)占總滑移區(qū)長(zhǎng)度的8%左右，微通道區(qū)占36%左右，近分離區(qū)占56%左右。表明滑移區(qū)特性主要由微通道特性和近分離特性決定，其中微通道區(qū)對(duì)切削液使用效率的提升有重要影響。

(4)刀-屑界面應(yīng)力分布系數(shù)對(duì)特性區(qū)長(zhǎng)度有影響，應(yīng)力分布系數(shù)減小，近黏結(jié)區(qū)和微通道區(qū)長(zhǎng)度增大，近分離區(qū)長(zhǎng)度減小，但不影響特性區(qū)的個(gè)數(shù)和臨界接觸高度閾值。