郝 君，吳建華

（山東省煤田地質(zhì)局第四勘探隊(duì)，山東 濰坊 261200）

0 引 言

模具零件工作表面的摩擦特性影響成形過(guò)程中板料的流動(dòng)速率，進(jìn)而影響沖壓件的成形質(zhì)量[1]。在沖壓成形過(guò)程中，為避免沖壓件出現(xiàn)局部開(kāi)裂、疊料等缺陷，常采用油石對(duì)模具零件進(jìn)行局部打磨拋光處理，該方法對(duì)工人技術(shù)經(jīng)驗(yàn)水平要求高，且花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、成本高。此外，在模具服役過(guò)程中，模具零件表面的摩擦系數(shù)影響表面應(yīng)力分布與板料應(yīng)變率，這將影響模具表面的耐磨性和沖壓件的力學(xué)性能。鑒于球頭銑削常被作為模具零件的終加工工序，特別是對(duì)于具有復(fù)雜曲面的模具零件，現(xiàn)旨在研究淬硬模具鋼球頭銑削加工表面微凹坑形貌的形成機(jī)理，分析每齒進(jìn)給量對(duì)球頭銑削加工表面形貌參數(shù)的影響規(guī)律，并分析形貌參數(shù)與表面摩擦特性之間的關(guān)系。

研究表明表面織構(gòu)化有助于改善滑動(dòng)接觸表面的摩擦學(xué)性能，包括凹坑型織構(gòu)、溝槽型織構(gòu)、正弦型織構(gòu)等[2,3]。徐明剛等[4]認(rèn)為刀具表面織構(gòu)化能有效降低切屑與刀具前刀面之間的摩擦系數(shù)，進(jìn)而減小切削力，延長(zhǎng)使用壽命；屠春娟等[5]采用激光加工技術(shù)在陶瓷刀具表面制備凹坑與溝槽織構(gòu)特征，當(dāng)采用織構(gòu)化刀具進(jìn)行切削模具零件時(shí)，切削力減??；李斌斌等[6]通過(guò)仿真分析發(fā)現(xiàn)，在切削時(shí)具有微織構(gòu)表面的刀具切削力小于無(wú)織構(gòu)刀具；潘有崇等[7]基于切削試驗(yàn)研究了微凹坑織構(gòu)刀具與無(wú)織構(gòu)刀具的切削性能，得出微凹坑特征有助于降低摩擦系數(shù)、提高刀具耐磨性的結(jié)論；T OBIKAWA等[8]發(fā)現(xiàn)表面點(diǎn)型與槽型織構(gòu)能改善切削鋁合金時(shí)刀具前刀面的潤(rùn)滑狀態(tài)，且潤(rùn)滑效果隨著微織構(gòu)深度的增加而更加明顯；HL COSTA等[9]基于往復(fù)滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)對(duì)比分析了3種不同織構(gòu)表面的摩擦性能，發(fā)現(xiàn)V形槽表面織構(gòu)能顯著增大油膜厚度，微凹坑織構(gòu)表面次之，直線型微織構(gòu)表面最小；I ETSION等[10]發(fā)現(xiàn)織構(gòu)化推力軸承表面有助于減小摩擦系數(shù)，改善軸承使用性能；于海武等[11]利用光刻腐蝕的方法制備了圓形、橢圓形和正方形微凹坑織構(gòu)表面，通過(guò)對(duì)各類型微凹坑織構(gòu)表面摩擦特性的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)給定深徑比時(shí)，各類型微凹坑織構(gòu)表面均具有顯著減摩性能的最優(yōu)面積率，且橢圓型微凹坑表面具有最強(qiáng)的減摩能力；李運(yùn)璽[12]采用飛秒激光機(jī)在硬質(zhì)合金拉拔模零件表面制備了正方形凹坑特征和三角溝槽型特征，并基于Fluent流體仿真運(yùn)算發(fā)現(xiàn)，三角型織構(gòu)表面在縱向與橫向截面均有收斂出口，因而表現(xiàn)更高的油膜承載力。

綜上所述，采用光刻腐蝕、激光加工等技術(shù)在滑動(dòng)摩擦表面制備布局合理的微織構(gòu)特征有助于改善摩擦特性。模具零件表面的加工殘留形貌對(duì)其摩擦特性和耐磨性的影響將反映到?jīng)_壓件成形質(zhì)量與模具使用壽命。由于球頭銑刀端部切削刃呈圓弧形，且在銑削加工時(shí)刀具不僅作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，還作橫向間歇進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，通過(guò)調(diào)控切削參數(shù)，可使球銑加工表面形成具有一定規(guī)律的表面形貌[13]。然而，目前關(guān)于具有典型形貌特征的球銑加工表面研究相對(duì)較少，因此選取常用的冷作模具鋼Cr12MoV為研究對(duì)象，研究其球頭銑削加工表面微凹坑形貌的形成機(jī)理，并對(duì)其摩擦磨損性能進(jìn)行分析，為實(shí)現(xiàn)模具鋼的高性能制造提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 模具鋼銑削加工試驗(yàn)

選用淬硬模具鋼Cr12MoV為研究對(duì)象，經(jīng)淬火與回火處理后其硬度值約61 HRC。采用兩刃涂層整體硬質(zhì)合金球頭銑刀（直徑φ10 mm）在五軸數(shù)控加工中心DMU 60P上進(jìn)行模具鋼球頭銑削加工試驗(yàn)，切削參數(shù)如表1所示。

表1 模具鋼球頭銑刀銑削加工參數(shù)

1.2 環(huán)-塊摩擦磨損試驗(yàn)

采用電火花線切割機(jī)床，根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 12444—2006制備試樣，利用環(huán)-塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)MRH-3進(jìn)行滑動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)在滴油潤(rùn)滑狀態(tài)下進(jìn)行，轉(zhuǎn)速、壓力載荷及對(duì)磨時(shí)間分別設(shè)定為200 r/min、200 N、15 min。試驗(yàn)過(guò)程中借助壓力傳感器獲取摩擦力，根據(jù)庫(kù)倫摩擦定律換算得出滑動(dòng)摩擦系數(shù)，試驗(yàn)后借助工具顯微鏡和白光干涉儀分析球頭銑刀銑削加工表面形貌磨損前后的變化。

2 結(jié)果與分析

2.1 微凹坑形貌形成機(jī)理

圖1所示為每齒進(jìn)給量fz=0.24 mm/z時(shí)模具鋼球頭銑削加工表面形貌及其X、Y方向的典型輪廓曲線，沿X方向與Y方向表面輪廓呈現(xiàn)近似周期性的峰谷分布特點(diǎn)，這表明球頭銑削加工表面可產(chǎn)生具有近似微凹坑特征的形貌。X方向?yàn)殂娤鬟^(guò)程中的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向，X方向輪廓波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)每齒進(jìn)給量；Y方向?yàn)殂娤鬟^(guò)程中的間歇進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向，Y方向輪廓波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)徑向切削深度。微凹坑邊緣完整性由進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和間歇進(jìn)給運(yùn)動(dòng)引入的殘留材料決定，當(dāng)給定銑削速度與軸向切深時(shí)，增大徑向切削深度會(huì)使間歇進(jìn)給殘留材料高度增加，而當(dāng)增大每齒進(jìn)給量會(huì)使進(jìn)給方向的殘留材料高度增加。結(jié)合圖1可推斷，當(dāng)每齒進(jìn)給量與徑向切削深度數(shù)值相當(dāng)時(shí)，有利于產(chǎn)生微凹坑特征表面形貌，且采用較大的每齒進(jìn)給量與較大的徑向切削深度組合能獲得更大深度的表面微凹坑。

圖1 模具鋼球頭銑削加工表面形貌及X、Y方向輪廓曲線

2.2 每齒進(jìn)給量對(duì)微凹坑表面形貌參數(shù)的影響

圖2所示為模具鋼球頭銑削表面輪廓均方根偏差、偏態(tài)及峰態(tài)隨每齒進(jìn)給量變化，均方根偏差隨每齒進(jìn)給量的增大而緩慢增大，但當(dāng)每齒進(jìn)給量超過(guò)fz=0.24 mm/z時(shí)，均方根偏差快速增大。峰態(tài)SKu常用來(lái)表示表面粗糙峰的尖峭程度，對(duì)于高斯表面形貌其值為3，當(dāng)SKu＜3時(shí)為低峰態(tài)，當(dāng)SKu＞3時(shí)為尖峰態(tài)。圖2中峰態(tài)值SKu小于3，且隨著每齒進(jìn)給量fz的增大而逐漸減小，這表明表面形貌低峰態(tài)越來(lái)越顯著，凹坑邊緣變矮變厚。偏態(tài)Ssk可用來(lái)反映表面形貌關(guān)于中性面的對(duì)稱性，Ssk＜0時(shí)表明表面以凹谷為主，相反則以凸峰為主。由圖2可知，偏態(tài)隨每齒進(jìn)給量fz的增大近似呈增大趨勢(shì)，表明該表面凸峰增多。綜上所述，隨著每齒進(jìn)給量的增大，球頭銑削加工表面微凹坑深度變淺，但因低峰態(tài)顯著，微凹坑邊緣等高程度較好。

圖2 球頭銑削表面形貌參數(shù)隨每齒進(jìn)給量的變化

2.3 每齒進(jìn)給量對(duì)球銑加工表面摩擦系數(shù)的影響

圖3所示為在潤(rùn)滑工況下以不同每齒進(jìn)給量銑削加工的試塊與試環(huán)對(duì)磨時(shí)的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。隨著每齒進(jìn)給量的逐漸增大，滑動(dòng)摩擦系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，且當(dāng)每齒進(jìn)給量超過(guò)0.24 mm/z時(shí)，摩擦系數(shù)下降趨勢(shì)變緩。此外，在相同試驗(yàn)條件下，拋光試樣與試環(huán)對(duì)磨的滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.121，該值高于采用球頭銑削加工表面與試環(huán)對(duì)磨時(shí)的滑動(dòng)摩擦系數(shù)。與采用每齒進(jìn)給量0.3 mm/z銑削的試塊相比，拋光試樣摩擦系數(shù)高18.1%。

圖3 球頭銑削加工表面摩擦系數(shù)隨每齒進(jìn)給量的變化

球頭銑削加工表面存在微米級(jí)的凹坑，其縱橫為比0.01～0.05，在潤(rùn)滑滑動(dòng)摩擦工況下，該類型特征的表面具有流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效果。每齒進(jìn)給量對(duì)球頭銑削加工表面微凹坑形貌影響顯著，每齒進(jìn)給量越大，表面微凹坑越完整。微凹坑完整性越好，則儲(chǔ)存潤(rùn)滑油能力越強(qiáng)，使局部流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)加強(qiáng)，增加潤(rùn)滑膜的厚度，在一定程度上提高了承載能力。此外，微凹坑具備一定的體積空間，可容納摩擦接觸表面產(chǎn)生的微小磨屑，有利于減輕表面磨粒磨損現(xiàn)象。由于微小磨屑容納能力與流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)，球頭銑削加工表面的減摩性能優(yōu)于拋光試樣。

每齒進(jìn)給量通過(guò)改變銑削加工表面形貌參數(shù)影響表面摩擦特性，對(duì)比圖2和圖3可知，隨著每齒進(jìn)給量的增大，滑動(dòng)接觸表面摩擦系數(shù)與表面形貌參數(shù)均方根偏差及偏態(tài)具有相反的變化趨勢(shì)，而與峰態(tài)變化趨勢(shì)相同。對(duì)于給定加工方式，表面粗糙度越大，則滯留潤(rùn)滑劑能力越強(qiáng)，有利于減輕摩擦。此外，偏態(tài)的升高與峰態(tài)的降低使微凹坑邊緣等高程度提高，同時(shí)厚度增加，延長(zhǎng)了微凹坑相對(duì)作用時(shí)間，有利于提高耐磨性。

2.4 表面磨損形貌分析

圖4所示為采用工具顯微鏡獲取的球頭銑削加工表面和拋光試樣表面磨損形貌，滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)后球頭銑削加工表面形貌出現(xiàn)一定程度的磨損甚至消失，且采用較小的每齒進(jìn)給量加工的表面磨損嚴(yán)重；表面拋光試驗(yàn)后表面出現(xiàn)明顯磨坑，坑內(nèi)存在大量劃痕，磨損程度高于球頭銑削表面試樣。

圖4 球頭銑削加工表面和拋光試樣表面磨損形貌

利用白光干涉儀對(duì)比分析了fz=0.18、0.24 mm/z銑削加工的表面磨損后的形貌，如圖5所示。在兩球頭銑削試樣表面的磨痕區(qū)域，由銑削加工引入的殘留材料高度均降低，且采用較大每齒進(jìn)給量加工的表面其殘留凹坑深度更深，這是由于其具有相對(duì)更大更均勻的微凹坑，潤(rùn)滑油儲(chǔ)存能力更強(qiáng)，有利于形成流體動(dòng)壓潤(rùn)滑，同時(shí)容納磨屑能力強(qiáng)，有利于減輕磨粒磨損，故表面磨損程度相對(duì)較輕。而對(duì)于以較小每齒進(jìn)給量加工的表面，其微凹坑完整性相對(duì)較弱，滑動(dòng)摩擦過(guò)程中流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效果不顯著，容納磨屑能力差，表面殘留材料承受的壓力載荷大，導(dǎo)致磨損相對(duì)嚴(yán)重。對(duì)于表面拋光試樣，如圖4（c）所示，其表面滯留潤(rùn)滑劑能力差，磨屑夾雜與試環(huán)-試塊接觸表面形成三體摩擦狀態(tài)，導(dǎo)致犁耕作用加劇，表面磨損嚴(yán)重。

圖5 不同每齒進(jìn)給量銑削加工試樣表面磨損形貌對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

研究了淬硬模具鋼球頭銑削加工表面微凹坑形貌形成機(jī)理以及在潤(rùn)滑工況下該類形貌的摩擦磨損性能，得到的主要結(jié)論如下。

（1）球頭銑削加工表面可產(chǎn)生微凹坑，采用較大的每齒進(jìn)給量與較大的徑向切深組合有利于獲得更大更深的微凹坑。表面輪廓均方根偏差和偏態(tài)均隨每齒進(jìn)給量的增大而增大，而峰態(tài)隨每齒進(jìn)給量的增大而減小。

（2）在潤(rùn)滑工況下，淬硬模具鋼球頭銑削加工表面減摩性能優(yōu)于拋光表面，以每齒進(jìn)給量0.3 mm/z銑削的試塊，其滑動(dòng)摩擦系數(shù)比拋光表面低18.1%。

（3）隨著每齒進(jìn)給量的增大，球頭銑削加工表面微凹坑空間尺寸增大，流體動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)和磨屑儲(chǔ)存能力增強(qiáng)，進(jìn)而提高減摩效果，且微凹坑邊緣等高程度和厚度的提高有利于延長(zhǎng)摩擦過(guò)程中微凹坑相對(duì)作用時(shí)間，提高耐磨性。