（長(zhǎng)春理工大學(xué) 精密制造及檢測(cè)技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)春 130022）

0 引言

切削加工過(guò)程中，為了改善刀具與切屑界面的摩擦狀況，抑制刀具磨損，降低切削成本，提高切削效率、加工表面質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外專家和學(xué)者根據(jù)仿生摩擦學(xué)的研究結(jié)果[1～4]，在刀具的前刀面或者后刀面通過(guò)不同方法制備了不同特征參數(shù)的表面微織構(gòu)[5,6]，并在不同潤(rùn)滑條件下，研究了表面織構(gòu)對(duì)刀-屑界面的切削力、切削溫度、摩擦系數(shù)、切屑粘結(jié)等因素的影響效果，分析和揭示了表面織構(gòu)刀具改善刀具性能的切削機(jī)理。

鄧建新等[7]在硬質(zhì)合金刀具的后刀面加工出不同的微織構(gòu)，研究其對(duì)刀具摩擦、磨損性能的影響。Dawit Zenebe Segu等[8]用YAG激光器在鋼的表面加工出不同形狀的微織構(gòu)組合；T. Ibatan等[9]通過(guò)激光加工技術(shù)在軸承上制備出出不同的微織構(gòu)，研究其對(duì)機(jī)械軸承部件的摩擦學(xué)性能的影響；A.Arslan等[10]分析不同的加工方法得到的表面織構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)及不同形狀及尺寸表面織構(gòu)摩擦學(xué)性能之間的差距；YongshengSu等[11]通過(guò)激光加工技術(shù)在PCD刀具前刀面上制備出微槽陣列，發(fā)現(xiàn)微槽織構(gòu)可以改善刀-屑摩擦接觸狀態(tài)。綜上所述，目前研究微織構(gòu)刀具的摩擦學(xué)性能大部分都是宏觀條件下進(jìn)行的，對(duì)于微切削條件下刀具的摩擦學(xué)性能的研究比較少。

基于激光加工技術(shù)的靈活性和精確性，本文作者通過(guò)激光加工技術(shù)，在硬質(zhì)合金刀具的前刀面加工出直徑為Φ35μm、Φ30μm、Φ25μm、Φ20μm的微坑陣列結(jié)構(gòu)，利用自行研制的正交切削單元對(duì)Ti6Al4V合金進(jìn)行微切削試驗(yàn)[12～15]，從切屑形態(tài)及黏刀量對(duì)微織構(gòu)性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 試驗(yàn)

1.1 微織構(gòu)激光加工

采用HAN’S LASER光纖式激光打標(biāo)機(jī)，在硬質(zhì)合金刀具前刀面加工出直徑為φ35μm、φ30μm、φ25μmμm、φ20μm微坑陣列，深度10μm，間距是100μ m的微坑陣列，如圖1所示。

1.2 正交切削試驗(yàn)

采用自行研發(fā)的正交切削單元，對(duì)10×10×0.8mm的鈦合金片進(jìn)行切削厚度ap=5μm，切削速度v=300mm/s，切削次數(shù)n=5正交微切削試驗(yàn)。利用共聚焦顯微鏡對(duì)刀具表面進(jìn)行成像觀察，對(duì)刀具磨損長(zhǎng)度和磨損寬度進(jìn)行測(cè)量，以此判定刀具表面磨損程度及微織構(gòu)對(duì)其的影響，設(shè)備的實(shí)物圖如2所示。

圖1 微坑陣列織構(gòu)形貌

硬質(zhì)合金刀具正交切削鈦合金時(shí)，刀屑接觸面積較小，在高溫高壓的條件下，鈦合金易黏刀，且刀具中的有些元素易于鈦合金發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，增加了刀具的磨損，在刀具的前刀面形成這些特點(diǎn)使刀月牙洼，由圖3可以看出，無(wú)織構(gòu)刀具的前刀面出現(xiàn)了明顯的月牙洼，微坑織構(gòu)刀具相對(duì)較少，微坑直徑為25μm的刀具，只出現(xiàn)少量的月牙洼。由此可以看出微坑織構(gòu)的置入提高了刀具的耐摩擦磨損性，延長(zhǎng)了刀具的壽命。正交切削過(guò)程中，微織構(gòu)的置入減小了刀屑的接觸面積，減小摩擦力，增大了刀具與空氣的接觸面積，降低了切削溫度，從而減小了鈦合金的黏刀量，減小冷焊，從而減少了擴(kuò)散磨損，減小了月牙洼的形成，提高了刀具的耐摩擦磨損性。

圖2 ZEISS LSM700共聚焦顯微鏡實(shí)物圖

圖3 微織構(gòu)刀具切削后的形貌

2 刀屑形態(tài)分析

2.1 前刀面分析

干切削條件下，刀具與鈦合金的接觸條件比較惡劣，切屑流經(jīng)刀具的前刀面時(shí)在高溫、高壓的條件下，鈦合金易“黏刀”且化學(xué)性能活潑，也是影響刀具磨損的主要原因之一。通過(guò)高真空掃描電子顯微鏡（SEM，Japan）觀察刀具的前刀面（如圖4所示），發(fā)現(xiàn)微織構(gòu)刀具中靠近主切削刃的微坑被少量黏結(jié)物覆蓋，刀尖及主切削刃附近的黏結(jié)物較少；無(wú)織構(gòu)刀具的黏結(jié)物覆蓋較為嚴(yán)重，其主要分布在刀尖、主切削刃及切屑流出附近。

圖4 微坑φ25μm刀具的電鏡圖

通過(guò)線性能譜分析刀尖、及主切削刃部分的黏著物，如圖5所示，發(fā)現(xiàn)基本為鈦合金，呈層狀覆蓋在刀尖及主切削刃附近，由此可知黏著物為切屑的一部分，由圖6可以看出無(wú)織構(gòu)刀具Ti元素含量最高，微坑織構(gòu)相對(duì)較少。說(shuō)明微織構(gòu)的置入改變了切削過(guò)程中刀屑的接觸狀態(tài)，干切削條件下，刀具與鈦合金的接觸條件比較惡劣，切屑流經(jīng)刀具的前刀面時(shí)在高溫、高壓的條件下，鈦合金易“黏刀”造成刀具的粘接磨損。點(diǎn)坑陣列的置入，改變了刀屑的接觸形態(tài)，減小了刀屑的接觸面積從而減少了摩擦力，增大了刀具與冷卻介質(zhì)的接觸面積，降低了切削溫度，減小鈦合金的黏刀量，由此可以看出微坑織構(gòu)可以減小刀具的粘接磨損，延長(zhǎng)刀具的壽命。

2.2 微坑內(nèi)能譜分析

通過(guò)高真空掃描電子顯微鏡（SEM，Japan）對(duì)刀具的前刀面進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)微坑內(nèi)有有部分黏結(jié)物，對(duì)微坑的黏結(jié)物進(jìn)行能譜分析（如圖7所示），發(fā)現(xiàn)黏著物大部分為鈦合金和少量的WC硬質(zhì)合金顆粒，靠近微坑上邊緣，方向同切屑的流動(dòng)方向。由此可以說(shuō)明，切屑流經(jīng)微坑表面時(shí)，切屑底面與微坑織構(gòu)相互作用，微坑攔截切屑下表面部分碎屑及少量硬質(zhì)顆粒，減少了切屑與硬質(zhì)顆粒對(duì)前刀面的犁溝作用，減輕摩擦力，降低刀具前刀面的磨損，提高了刀具的耐摩擦、磨損性能。

圖6 線性能譜分析結(jié)果

2.3 切屑形態(tài)分析

圖7 微坑內(nèi)能譜分析圖

圖8 切屑表面

正交切削試驗(yàn)過(guò)中，微織構(gòu)刀具切削生成的切屑的卷曲率相比于無(wú)織構(gòu)刀具生成的切屑要大，且有少量的“C”型切屑生成。通過(guò)高真空電子顯微鏡觀察切削表面，如圖8所示，微坑織構(gòu)切屑的外表面，有大量的平行于切屑流向的微型“溝槽”，無(wú)織構(gòu)切屑沒(méi)有，通過(guò)測(cè)量發(fā)現(xiàn)溝槽的間距和微坑織構(gòu)的距離相似，由此可以說(shuō)明，切屑流經(jīng)刀具前刀面的微坑織構(gòu)時(shí)，切屑與微坑織構(gòu)相互擠壓，微坑織構(gòu)存儲(chǔ)切屑表面的部分切屑和硬質(zhì)合金顆粒，減少犁溝作用，減輕刀具前刀面的劃傷。切屑流經(jīng)微坑織構(gòu)時(shí)，切屑與坑內(nèi)的攔截物相互擠壓，坑內(nèi)攔截物承載一部分的壓應(yīng)力，使切屑與刀具之間的壓應(yīng)力減少。

3 結(jié)論

1）利用激光加工技術(shù)制備微坑織構(gòu)，在硬質(zhì)合金刀具的前刀面制備出微坑直徑為φ35μm、φ30μm、φ25μm、φ20μm，深度為10μm的微坑織構(gòu)。通過(guò)正交切削試驗(yàn)可知，微坑陣列的置入減少刀屑接觸面積，減小切削力，增大刀具與空氣之間的接觸面積，降低切削溫度，從而提高刀具的耐摩擦磨損性能和鈦合金表面質(zhì)量。

2）微坑織構(gòu)的置入，改變了刀屑的接觸形態(tài)，減小了刀屑的接觸面積從而減少了摩擦力，增大了刀具與冷卻介質(zhì)的接觸面積，降低了切削溫度，減小鈦合金的黏刀量，由此可以看出微坑織構(gòu)可以減小刀具的粘接磨損，延長(zhǎng)刀具的壽命。

【】【】

3）通過(guò)能譜分析發(fā)現(xiàn)微坑織構(gòu)內(nèi)有鈦合金和硬質(zhì)合金顆粒，由此可知切屑流經(jīng)微坑表面時(shí)，切屑底面與微坑織構(gòu)相互作用，微坑攔截切屑下表面部分碎屑及少量硬質(zhì)顆粒，減少了切屑與硬質(zhì)顆粒對(duì)前刀面的犁溝作用，減輕摩擦力，降低刀具前刀面的磨損，提高了刀具的耐摩擦、磨損性能。

4）切屑流經(jīng)微坑表面時(shí)，微坑織構(gòu)可以攔截切屑底表面部分碎屑和少量硬質(zhì)合金顆粒，減輕了切屑對(duì)刀具前刀面的劃傷，并且切屑和坑內(nèi)攔截物相互作用，攔截物承載了部分壓應(yīng)力，使切屑流經(jīng)刀具前刀面時(shí)的壓應(yīng)力減少。

[1]艾興.高速切削加工技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2003:1-6.

[2]冉春華,聶朝胤.TiN、TiAlN涂層刀具的切削性能對(duì)比研究[D].重慶:西南大學(xué),2013.

[3]劉鵬,徐九華.超硬刀具高速銑削鈦合金的基礎(chǔ)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2011.

[4]邵世超,謝峰.基于仿生微織構(gòu)的刀具減摩性能研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2013.

[5]何寧.高速切削技術(shù)[M].上海:上海科學(xué)科技出版社,2012.

[6]Ryk GEtsion I.Testing piston rings with partial laser surface texturing for friction reductio[J].Wear,2006,261:792-796.

[7]YayunLiu, Jianxin Deng, FengfangWu. Wear resistance of carbide tools with textured flank-face in dry cutting of green alumina ceramics[J].Wear,2017,s372-373:91-103.

[8]Dawit Zenebe Segu, Pyung Hwang.Friction control by multishape textured surface underpin-on-disctest[J].Tribology International,2015,91:111-117.

[9]T. Ibatan, M.S. Uddin, M.A.K. Chowdhury.Recentdevelopment on surface texturing in enhancing tribological performance of bearing sliders[J].Surface &Coatings Technology,2015.

[10]A. Arslan, H. H. Masjuki, M. A. Kalam, M. Varman,R. A. Mufti,M. H. Mosarof,L. S. Khuong & M. M.Quazi.Surface Texture Manufacturing Techniquesand Tribological Effect of Surface Texturing onCutting ToolPerformance: A Review.CriticaReviews in Solid State and Materials[J].Sciences,2016,41(6):447-481.

[11]Yongsheng Su, Zhen Li, Liang Li, Jianbin Wang, Hong Gao,Gang Wang.Cutting performance of micro-textured polycrystalline diamond tool in dry cutting[J].Journal of Manufacturing Processes,2017,27:1-7.

[12]于占江,王雯,張超楠,等.微型車刀微孔織構(gòu)及高速微車削實(shí)驗(yàn)[J].潤(rùn)滑與密封,2016,41(2):18-22.

[13]王亮.表面微織構(gòu)刀具切削鈦合金的試驗(yàn)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2012.

[14]戚寶運(yùn),李亮,何寧.表面織構(gòu)在刀具減磨技術(shù)中的應(yīng)用[J].工具技術(shù).2010,44(12):3-6.