王英姿

(濟南大學 材料科學與工程學院，山東 濟南 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。

隨著對摩擦學研究不斷的深入，人們發(fā)現并不是表面越光滑摩擦學性能越優(yōu)異，反而是像穿山甲、魚鱗等具有微小結構的表面，具有高耐性磨、低摩擦系數等優(yōu)點。刀具表面微織構是指利用生物仿生學原理，在摩擦表面加工出一定尺寸、形狀的微米級結構[1]，從而提升刀具的切削性能以及摩擦學性能。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構，更有利于潤滑介質的滲入、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象，減緩刀具磨損，延長刀具耐用度。近年來，對刀具表面織構的研究越來越多，人們對刀具表面織構的認識越來越深刻。表面微織構具有減少刀-屑接觸長度、存儲潤滑劑和捕捉磨屑等作用[2]，已經成功應用在刀具表面上[3]。微織構形貌從最初的凹坑、凹槽 凸包狀，變?yōu)楦鼜碗s的正弦、橢圓、圓陣列和魚鱗狀等[4]，如圖1所示。不同形狀的微織構對刀具表面的摩擦學性能的影響必然不同。因此，研究不同微織構的形貌，將明顯提高刀具的使用壽命和摩擦學性能，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量[5]。

1 微織構加工方法及形貌

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

1.1 微織構的激光加工技術

激光加工是通過將光束聚焦，使焦點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。加工過程能量密度高，熱影響區(qū)較小，加工變形較小，表面質量較高，且無噪聲，加工尺度可達納米級，但加工設備比較昂貴。

Da等[12]采用Nd：YAG激光加工技術，在硬質合金涂層刀具表面制備了微凹槽織構(深約2.05 μm)，刀具及織構形貌如圖2所示，并與無織構刀具共同進行車削ABNT/AISI 1050鋼材的對比試驗。結果表明，具有微凹槽織構的刀具壽命明顯高于無織構刀具；但在微動磨損試驗中，由于微凹槽織構的存在，使得刀具硬度降低，從而導致織構刀具的磨損率高于無織構刀具。高鵬等[13]利用激光加工技術在AlCrN涂層刀具表面制備了深35 μm、寬50 μm的溝槽微織構，微織構之間的距離分別為300 μm、400 μm和500 μm，在載荷為10 N條件下，與45淬火鋼球對磨。結果表明，間距為400 μm的微織構與淬火鋼對磨時，摩擦系數最小。邢佑強等[14]利用激光打標機在AlCrN涂層表面制備了傾斜角度不同的凹槽微織構(圖3)，并與鋼球對磨，微織構與摩擦方向分別呈0°、45°和90°。結果表明，與摩擦方向呈0°的微織構表現出的摩擦學性能最為優(yōu)異，與其它兩種微織構相比表面粘結現象更輕，且對磨球的磨損體積最小。王震等[15]利用HGL- LSY5OF型激光打標機在硬質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)進行摩擦試驗。結果表明，制備了微織構的硬質合金表面摩擦學性能得到明顯改善，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，在硬質合金表面制備了不同間距的正弦和直線型溝槽微織構，織構深20 μm，寬40 μm，微織構間距分別為400 μm、500 μm和600 μm(圖4)，分別與Al2O3陶瓷球對磨。結果表明，制備了正弦波形微織構的硬質合金表面摩擦系數均低于直線型微織構表面。

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

(a)無織構刀具 (b)微凹槽織構刀具 (c)微凹槽織構形貌圖2 刀具及織構形貌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 微織構的電火花加工技術

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、脆和高熔點的導電材料，可加工深孔、曲面以及復雜形狀工件。加工尺度受工具電極影響，加工尺度在微米級，而且要求工件具有導電性。對一些非導電材料的加工工序較為復雜，加工效率較低，對工件燒蝕較為嚴重，加工表面精度相對較低。

宋文龍等[17]通過電火花加工技術在硬質合金表面制備直徑φ為35 μm，深1 mm的微孔，并填充MoS2固體潤滑劑，對45鋼進行切削試驗。結果表明，微孔具有存儲潤滑劑的作用，并在切削過程中，潤滑劑從微孔中析出，在硬質合金表面行程潤滑膜，能夠顯著降低摩擦系數，減小切削力。吳澤等[18-20]利用電火花加工技術，在硬質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(圖5(a)、(b))。此外，還利用激光加工技術，在刀具表面制備了橢圓形微織構(圖5(c))，并通過有限元分析。微織構的存在對刀具前刀面的應力分布無明顯影響，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 (b)4微孔織構 (c)橢圓微織構圖5 電火花及激光加工微織構Fig. 5 micro texture of electric spark and laser machining

1.3 微織構的光刻加工技術

光刻技術是將照相復制與化學腐蝕相結合，在加工材料表面制備所需圖形的加工方法，該技術多用于半導體元件以及集成電路的制備。文獻報道一些學者將該技術應用到微織構的加工，加工尺度在微米級，加工工件表面質量高。與激光加工以及電火花加工技術相比，光刻加工的深度較淺，成本較高。

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

(a)凹坑點陣 (b)凸點陣列

(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微織構刀具Fig. 6 DLC micro texture

1.4 微織構的其他加工方法

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

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

2 表面織構刀具的作用機理

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

鄧建新等[23]研究了織構化硬質合金刀具材料表面的減摩機理。將織構化硬質合金刀具進行干切削，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度。而切削合力Fr，主切削力Fz，背向力Fy可以由式(2)、(3)、(4)計算所得：

(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度以及刀屑間接觸長度lf成線性關系。圖8分別表示出3種不同刀具(傳統刀具CT、織構化刀具TT、WS2涂層織構化刀具TT-WS2)的刀屑接觸長度的原理圖。可以看出TT刀具的刀屑接觸長度由于織構的存在與CT刀具相比會有減少，實際接觸長度可以表示為：

(5)

宋文龍等[24]研究了填裝MoS2的織構化硬質合金刀具材料表面的減摩機理，如圖9(a)所示。微織構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中析出；當摩擦副開始相對運動，由于對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，參與到摩擦運動過程中(圖9(b))。由于固體潤滑劑MoS2具有較低的硬度、剪切強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；但由于此時表面沒有形成較完整的潤滑層，摩擦系數仍然相對較高，波動較大。隨著摩擦的進行，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)生在潤滑膜內部，從而改善摩擦副的對磨條件，改善微織構刀具的摩擦性能。

(a)滑動開始前 (b)滑動初始階段 (c)穩(wěn)定滑動階段圖9 織構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 結束語

微織構刀具是將刀具表面加工出各種不同微織構形貌以提高刀具表面摩擦學性能的新型刀具。在刀具表面可制備各種相貌的微織構，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，研究了摩擦角度及微織構間距、深度、寬度等參數對摩擦學性能的影響。結果表明，微織構刀具在改善刀-屑接觸面積、降低切削力和切削溫度等方面效果顯著。今后進一步應研究微織構不同間距、深度、寬度和形貌對刀具性能的影響，從而制備出性能更為優(yōu)異的微織構刀具。