，，，，

(1.蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，蘇州 215104；2. 蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，蘇州 215006)

0 引 言

在切削過程中，刀具與工件、切屑之間的劇烈摩擦及摩擦產(chǎn)生的高溫是導(dǎo)致刀具使用壽命縮短的主要原因[1]。對(duì)刀具的冷卻潤滑方式進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn)，高速切削時(shí)潤滑劑可帶走部分因摩擦產(chǎn)生的切削熱，同時(shí)能改善刀具與切屑接觸面的摩擦磨損情況[2]。微量潤滑技術(shù)作為一種新型的綠色冷卻潤滑方式，在難加工材料的高速加工中得到廣泛應(yīng)用[3-4]。該技術(shù)將壓縮氣體與極微量的潤滑劑進(jìn)行混合氣化，形成微米級(jí)的液滴，然后噴射到加工區(qū)進(jìn)行有效潤滑[5]。但隨著切削速度的提高，微量潤滑形成的潤滑膜在高溫下容易分解和破壞，從而失去潤滑效果。如何形成穩(wěn)定的潤滑膜，是改善加工區(qū)的摩擦狀態(tài)，并提高刀具使用壽命的關(guān)鍵技術(shù)問題[6]。

近年來，摩擦學(xué)的相關(guān)研究表明，表面織構(gòu)能改善表面的潤滑狀態(tài)，在抗摩減阻、抗黏附及提高表面耐磨性和承載能力等方面有著更為積極的作用[7-9]，這為進(jìn)一步提高刀具的減摩耐磨性能提出了新的方向。已有研究[10-15]表明，在刀具表面進(jìn)行合理的織構(gòu)化處理可改善其表面的摩擦特性，降低切削力和切削溫度，減少刀具磨損，改善抗黏附特性，從而提高刀具的切削性能。表面織構(gòu)化處理與微量潤滑技術(shù)的結(jié)合，更有利于潤滑介質(zhì)的滲入和儲(chǔ)存，從而在刀具表面形成穩(wěn)定的潤滑膜，以實(shí)現(xiàn)更好的減摩抗磨效果。陶瓷刀具因具有硬度高、耐磨性好、化學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，常用作切削難加工材料的理想刀具，但韌性差、熱導(dǎo)率低的特點(diǎn)使其在加工淬硬鋼等一些難加工材料時(shí)的切削性能不是很理想。目前，國內(nèi)外有關(guān)微織構(gòu)陶瓷刀具的研究多數(shù)集中在制備微織構(gòu)刀具的激光加工工藝方面，而有關(guān)采用微織構(gòu)陶瓷刀具切削淬硬鋼等一些難加工材料的試驗(yàn)研究報(bào)道很少。為此，作者采用激光打標(biāo)機(jī)在陶瓷刀具前刀面加工出微凹坑和微溝槽陣列并填充MoS2固體潤滑劑，制備得到微織構(gòu)自潤滑刀具；使用此刀具對(duì)淬硬鋼進(jìn)行切削加工，從刀具的切削力、工件表面粗糙度、切屑形貌、刀具的摩擦磨損性能等方面研究了微織構(gòu)形貌對(duì)陶瓷刀具切削性能的影響，為陶瓷刀具表面的設(shè)計(jì)和選擇提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

選用刀片型號(hào)為SNGA120408S015256050的Al2O3/TiC陶瓷機(jī)夾刀具，采用激光打標(biāo)機(jī)在刀具前刀面易磨損區(qū)加工出微凹坑和平行于主切削刃的微溝槽織構(gòu)。通過改變激光功率(6，9，12，15 W)、打標(biāo)速度(200，300，400，500 mm·s-1)、打標(biāo)次數(shù)(5，10，15，20次)，加工出多組具有不同表面微織構(gòu)的刀具；經(jīng)過微觀形貌對(duì)比得到在該陶瓷刀具上加工出最優(yōu)微織構(gòu)的工藝參數(shù)：激光功率15 W，打標(biāo)速度500 mm·s-1，打標(biāo)次數(shù)20次，得到槽寬100 μm、間距50 μm的微溝槽陣列和直徑95 μm、間距150 μm的微凹坑陣列，不同刀具的表面形貌如圖1所示。將刀具用丙酮超聲清洗30 min后，在微溝槽和微凹坑中填充MoS2固體潤滑劑并壓緊，制備得到微織構(gòu)自潤滑陶瓷刀具。

圖1 不同形貌微織構(gòu)刀具和無微織構(gòu)刀具的表面形貌Fig.1 Surface morphology of tools with different morphological micro-textures (a-b) and untextured tool (c):(a) micro grooves and (b) micro pits

在CA6140A型車床上進(jìn)行車削試驗(yàn)。待加工材料為GCr15軸承鋼棒料，尺寸為φ40 mm×400 mm，經(jīng)840 ℃機(jī)油淬火熱處理，平均硬度達(dá)60 HRC，抗拉強(qiáng)度為861.3 MPa，沖擊韌度為28 J·cm-2。刀柄型號(hào)為DSBNR 2020 K12，裝夾后刀具前角為-6°，后角為0°，刃傾角為-6°。切削方式為連續(xù)干式車削，切削時(shí)間為50 s，切削速度vc分別為63，79，100，125，157 m·min-1，進(jìn)給量f分別為0.08，0.10，0.12，0.14，0.16 mm·r-1，背吃刀量ap分別為0.10，0.15，0.20，0.25，0.30 mm，采用單因素法設(shè)計(jì)切削參數(shù)并進(jìn)行切削試驗(yàn)。用Kistler9257B型晶體壓電傳感測力儀測切削力，用SM-1000型三維表面輪廓儀測工件已加工表面的粗糙度，用KYKY-EM3200型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)切屑形貌進(jìn)行觀察。在切削速度125 m·min-1，進(jìn)給量0.12 mm·r-1，背吃刀量0.2 mm條件下連續(xù)切削20 min后，采用s-4700型冷場發(fā)射掃描電鏡觀察微織構(gòu)刀具前刀面磨損形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同刀具的主切削力

由圖2可以看出：當(dāng)切削速度為125 m·min-1，進(jìn)給量為0.12 mm·r-1時(shí)，3種刀具的主切削力均隨背吃刀量的增加呈近似線性增大趨勢(shì)；在切削速度為125 m·min-1，背吃刀量為0.10 mm時(shí)，隨進(jìn)給量的增大，無織構(gòu)刀具的主切削力呈近似線性增大趨勢(shì)，微凹坑織構(gòu)刀具的主切削力呈先減小后增大的趨勢(shì)，而微溝槽織構(gòu)刀具的主切削力呈先增大后減小再增大的趨勢(shì)；在進(jìn)給量為0.12 mm·r-1，背吃刀量為0.10 mm時(shí)，無織構(gòu)刀具的主切削力隨切削速度的增加先增大后減小，微凹坑與微溝槽織構(gòu)刀具的主切削力隨切削速度的變化趨勢(shì)基本相同，呈先減小后增大再減小的趨勢(shì)。

由圖2還可以看出，在不同切削條件下，采用微織構(gòu)陶瓷刀具切削淬硬軸承鋼時(shí)的主切削力較采用傳統(tǒng)無織構(gòu)刀具的均明顯下降，其中微凹坑織構(gòu)刀具的主切削力平均降低了26.91%，而微溝槽織構(gòu)的平均下降了15.85%，可知微凹坑織構(gòu)刀具的主切削力下降得更為顯著。

圖2 不同刀具主切削力隨切削參數(shù)變化的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curves of main cutting force of different tools vs cutting parameters: (a) changing with cutting depth;(b) changing with feed speed and (c) changing with cutting speed

圖3 不同切削條件下不同刀具加工后工件的表面粗糙度Fig.3 Surface toughness of workpiece cutted with different tools under different cutting conditions

2.2 不同刀具加工后工件表面粗糙度

由圖3可知：當(dāng)切削速度為125 m·min-1，進(jìn)給量為0.10 mm·r-1，背吃刀量為0.10 mm時(shí)，微凹坑織構(gòu)刀具和微溝槽織構(gòu)刀具切削后工件的表面粗糙度比傳統(tǒng)無織構(gòu)刀具切削后的分別降低了25.54%，20.36%；當(dāng)切削速度為125 m·min-1、進(jìn)給量為0.12 mm·r-1、背吃刀量為0.15 mm，以及切削速度為79 m·min-1、進(jìn)給量為0.12 mm·r-1、背吃刀量為0.10 mm時(shí)，微織構(gòu)刀具對(duì)工件表面粗糙度的改善作用不太明顯，切削后工件的表面粗糙度比采用傳統(tǒng)無織構(gòu)刀具切削后的僅下降了2.9%～7.3%。由此可知，在切削速度較高、進(jìn)給量和背吃刀量均較小的情況下，微織構(gòu)刀具對(duì)工件表面粗糙度的改善作用較明顯。

2.3 不同刀具加工后的切屑形貌

在不同切削條件下，經(jīng)相同刀具切削后產(chǎn)生的切屑形貌基本類似，因此以切削速度125 m·min-1，進(jìn)給量0.12 mm·r-1，背吃刀量0.10 mm時(shí)的切屑形貌為例，對(duì)比不同刀具切削后的切屑形貌。由圖4可知： 3種刀具切削后產(chǎn)生的切屑形貌較為相似，均為帶狀屑形貌，且切屑兩側(cè)呈鋸齒狀，外表面呈周期性流動(dòng)的粗片層[16]；與無織構(gòu)刀具切削后的相比，微織構(gòu)刀具切削后產(chǎn)生的切屑的寬度更寬，粗片層間距更小，且微凹坑織構(gòu)刀具切削后的切屑粗片層間距比微溝槽織構(gòu)刀具切削后的更均勻，兩側(cè)鋸齒狀輪廓更細(xì)密，這說明微凹坑織構(gòu)刀具產(chǎn)生的切屑被剪切的次數(shù)更多，剪切角更大，切屑變形程度明顯小于微溝槽織構(gòu)刀具和無織構(gòu)刀具切削后的。

圖4 相同切削條件下不同刀具切削后切屑的微觀形貌Fig.4 Micromorphology of chip after cutting with different tools under the same cutting condition: (a) micro groove textured tool;(b) micro pits textured tool and (c) untextured tool

圖5 相同切削條件下不同刀具前刀面的磨損形貌Fig.5 Wear morphology of rake face of different tools under the same cutting condition: (a) micro groove textured tool;(b) micro pits textured tool and (c) untextured tool

2.4 不同刀具前刀面的磨損形貌

由圖5可知：在切削速度125 m·min-1，進(jìn)給量0.12 mm·r-1，背吃刀量0.20 mm條件下切削20 min后，3種刀具前刀面均存在中間寬兩邊漸窄的月牙洼磨損帶，磨損區(qū)域主要集中在刀尖過渡圓弧負(fù)倒棱處，且與切削刃直接相連。無織構(gòu)刀具前刀面存在較多的黏著物，黏結(jié)和擴(kuò)散現(xiàn)象較為明顯[17]，且月牙洼磨損帶的長度最長，深度最深；微凹坑織構(gòu)刀具前刀面月牙洼磨損帶的輪廓比微溝槽織構(gòu)刀具的更淺，長度更短，其磨損程度明顯小于微溝槽織構(gòu)刀具和無織構(gòu)刀具的；由于固體潤滑劑的作用，微織構(gòu)刀具前刀面僅伴有少量的黏結(jié)現(xiàn)象，抗黏結(jié)性能明顯優(yōu)于無織構(gòu)刀具的。不同切削條件下觀察到的刀具前刀面磨損形貌略有不同，但對(duì)比相同條件下的可以發(fā)現(xiàn)，微凹坑織構(gòu)刀具表現(xiàn)出了更好的抗黏減摩效果，這是由于微凹坑織構(gòu)的持續(xù)存儲(chǔ)、容納磨屑和潤滑劑的性能優(yōu)于微溝槽織構(gòu)的。

2.5 討 論

由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，與傳統(tǒng)無織構(gòu)刀具相比，采用微織構(gòu)自潤滑刀具切削淬硬軸承鋼時(shí)，可有效降低主切削力，改善工件已加工表面質(zhì)量，減小切屑變形，減緩刀具前刀面的磨損程度。經(jīng)分析認(rèn)為，這主要?dú)w因于微織構(gòu)與刀具前刀面自潤滑的雙重作用。由金屬切削理論[18]可知，主切削力Fz可近似表示為

(1)

Ff=Arτc=αwlfτc

(2)

式中：Ff為切削摩擦力；β為摩擦角；γ0為刀具前角；αw為切削寬度；lf為刀/屑接觸長度；τc為刀/屑接觸面的平均剪切應(yīng)力。

由式(1)和式(2)可以看出，主切削力與刀/屑接觸長度和平均剪切應(yīng)力成正比。微織構(gòu)的存在使刀/屑接觸面積及接觸長度變小，而織構(gòu)中填充的MoS2固體潤滑劑在切削力、切削熱及摩擦力的作用下被擠出并涂覆在刀具與切屑的接觸面上，形成固體潤滑膜，降低了平均剪切應(yīng)力，使切削摩擦力減小，從而降低了主切削力[19]。

此外，在微織構(gòu)與潤滑劑的共同作用下，刀具與切屑的接觸長度減小，平均摩擦因數(shù)減小，摩擦角減小。由李和謝弗公式可知，當(dāng)?shù)毒咔敖且欢〞r(shí)，減小摩擦角可使剪切角增大，從而導(dǎo)致切屑變形系數(shù)減小。采用微織構(gòu)刀具切削時(shí)，刀/屑摩擦力的減小有利于切屑的卷曲及斷裂，這樣可帶走更多的切削熱，使切屑不易黏結(jié)在微織構(gòu)區(qū)域，從而提高了刀具的抗黏結(jié)性能。填充在微織構(gòu)中的潤滑劑使刀具與冷卻介質(zhì)的接觸面積增大，切削溫度降低，這在一定程度上降低了刀具切削刃和前刀面的磨損速率，提高了刀具的耐磨性能，并有效提高工件加工表面的質(zhì)量[20]。

不同形貌表面微織構(gòu)對(duì)刀具切削性能的影響不同，其中微凹坑織構(gòu)刀具比平行于主切削刃的微溝槽織構(gòu)刀具表現(xiàn)出更佳的切削性能。分析認(rèn)為，在摩擦過程中，由于微凹坑織構(gòu)的持續(xù)存儲(chǔ)和容納磨屑及潤滑劑的性能優(yōu)于微溝槽織構(gòu)的，因此微凹坑織構(gòu)刀具前刀面上的大部分凹坑被填滿，導(dǎo)致其與工件表面的有效接觸面積小于微溝槽織構(gòu)刀具的，減少了切屑背面犁溝的數(shù)量，從而使刀具與工件間的黏結(jié)和磨粒磨損程度相對(duì)較小[21]。同時(shí)，微凹坑織構(gòu)具有各向同性的特點(diǎn)，這也使得微凹坑織構(gòu)刀具表現(xiàn)出更佳的抗黏減摩效果[22]。

3 結(jié) 論

(1) 在不同切削條件下，采用微凹坑織構(gòu)陶瓷刀具切削淬硬軸承鋼時(shí)的主切削力較采用傳統(tǒng)無織構(gòu)刀具的平均降低了26.91%，而微溝槽織構(gòu)的平均下降了15.85%。

(2) 在切削速度較高、進(jìn)給量和背吃刀量均較小的情況下，采用微織構(gòu)刀具切削后工件的表面粗糙度較采用無織構(gòu)刀具的明顯下降，當(dāng)切削速度為125 m·min-1，進(jìn)給量為0.1 mm·r-1，背吃刀量為0.10 mm時(shí)，微凹坑織構(gòu)刀具切削后的下降了25.54%，微溝槽織構(gòu)刀具切削后的下降了20.36%。

(3) 微織構(gòu)刀具和無織構(gòu)刀具切削后產(chǎn)生的切屑均為帶狀屑，兩側(cè)呈鋸齒狀，外表面呈周期性流動(dòng)的粗片層；與無織構(gòu)刀具切削后的相比，微織構(gòu)刀具切削后產(chǎn)生的切屑更寬，粗片層間距更小，且微凹坑織構(gòu)刀具切削后的切屑粗片層間距比微溝槽織構(gòu)刀具切削后的更均勻，兩側(cè)鋸齒狀輪廓更細(xì)密，其切屑變形程度明顯小于微溝槽織構(gòu)刀具和無織構(gòu)刀具切削后的。

(4) 微織構(gòu)刀具和無織構(gòu)刀具前刀面均存在中間寬兩邊漸窄的月牙洼磨損帶，磨損區(qū)域主要集中在刀尖過渡圓弧負(fù)倒棱處；微凹坑織構(gòu)刀具前刀面的磨損程度明顯小于微溝槽織構(gòu)刀具和無織構(gòu)刀具的；微凹坑織構(gòu)刀具比微溝槽織構(gòu)刀具表現(xiàn)出更佳的切削性能。