表麵（miàn）織構化刀具的研究現狀與進展-刀具網-數控機床市場網

您現在（zài）的位置：刀具網> 技術前沿>表麵織構化（huà）刀具的研（yán）究現（xiàn）狀與進（jìn）展

表麵（miàn）織構化刀具的研究現狀（zhuàng）與進展

2019-11-14 來源：南京航空航天（tiān）大（dà）學機電學院作者：郝秀清，宋曉（xiǎo）路，李亮

摘要：高速切削加工作為難加工材料的主要加（jiā）工方式（shì），在其切（qiē）削過程中，刀具的快速磨損、加工表麵質量差等問題顯著。近些年來，表麵織構由於在控製摩擦、減小磨損和（hé）改善潤滑性能等方麵的作用引起了國內（nèi）外學（xué）術界和產（chǎn）業界的廣泛興趣，為刀具減摩降磨技術的（de）研究提供了新方向。

表麵織構效應是通過在（zài）摩擦副表麵（miàn）加工出具有不同形狀幾（jǐ）何參數和分布特征的（de）微凹坑、微（wēi）溝槽等陣列結構時，表麵的摩擦磨損和潤滑特性隨之改變的熱動力學效應。針對（duì）表麵（miàn）織構技術（shù）在刀具方麵的應用研究，描述了刀具（jù）表麵織（zhī）構的主要製備方法，對比分析了（le）各種製（zhì）備方法的優缺點，然後分別闡述了微溝槽織構、微凹坑織構、納米織構（gòu）/微納複合結構陣列以及織構化自潤滑刀具（jù）在減緩刀（dāo）具磨損、提高（gāo）加工質量等方麵的研究現狀與進展，同時分析了表麵織（zhī）構改善刀具（jù）係統摩擦學（xué）性能（néng）的原因和機理（lǐ），最後指出刀具表麵織構技術目前研究存在的（de）問題及（jí）其對刀具（jù）減摩降磨的重要意義。

關鍵詞：表麵織構；刀具；減（jiǎn）摩（mó）降（jiàng）磨；加工質量；仿生學；潤滑

高速切削技術作為先進製造技術中的重要技術之一，廣泛應用於（yú）航空航天、模具、機械裝備、汽車和醫（yī）學等領域。與傳統切削加工相比，高速切削加工能夠提高生產效率，但對難加（jiā）工材料而言，高速切削（xuē）加工過（guò）程中（zhōng）的高切削溫度（dù）和（hé）切削區域的劇烈摩擦會加快刀具磨損，刀-屑界（jiè）麵摩擦係數增大，影響表麵加工質量。高切削溫度（dù）會導致（zhì）主切削刃處應力及其溫度梯度增大，刀具耐（nài）用度（dù）大為降低（dī），與此同時，刀具的快速磨損嚴重製（zhì）約了切削（xuē）效率的提高。在高速切削加工過（guò）程中，刀-屑界麵上的材料（liào）會緊密結合，外部的潤滑（huá）液很難進入刀-屑界麵，隻能通過（guò）毛細滲透等方（fāng）式到達摩擦副界麵的邊界（jiè）區（qū）域。上述原（yuán）因共同導致了刀具的快速磨損和工件表麵加工質量差的問題，故為了提高刀具耐用度和改善表（biǎo）麵加工質量，可從改善切削區的摩擦潤滑狀況出發，優化刀具結構設計。

表麵織構技術（shù）作為表麵工程技術中的一種，近些年成為表麵工程（chéng）領域中的研究熱點。所謂表麵織構，是指通過（guò）電沉積、電火花、激光加工、光（guāng）刻加（jiā）工等方法在表麵加工出不（bú）同幾何參（cān）數和分布特征的（de）微凹坑、微溝（gōu）槽等陣列結構。通過表麵（miàn）織構技術，可以改變刀具表麵的拓撲形態（tài），同時（shí）設計合理的表麵（miàn）織構來改善（shàn）切（qiē）削加工過程中刀-屑界麵的摩擦狀

況，從（cóng）而（ér）減緩（huǎn）刀具磨損，這對切削加工而（ér）言具有極為深遠的工程意義。目前，國內外眾多學者已開展了表麵（miàn）織構化刀具在不同（tóng）切削條件下（xià）切削性（xìng）能的研究，研究結果表明，通過在刀具表麵加工（gōng）出微織構，可（kě）有效改善刀-屑界麵的摩擦學狀態，從而減緩刀具磨損，提高表麵質量和加工精度。

1 、織構化刀具的製備方法

在刀具表麵加工微織構是一種提高刀-屑界麵摩（mó）擦學性能的有（yǒu）效手段。刀具表麵微織構所具備的儲油（yóu）、儲屑、減小刀-屑接觸長度和切屑粘結等（děng）功能，可有效改善係統摩擦狀況和提（tí）高刀具切削性能。目前，刀具表麵織構加工的主要方法有激光加工、電火花加（jiā）工、磨削加工、離子束加工等。幾種微織構表麵加工方法的優缺點如表 1 所示.

表 1 表麵微織構幾種製備方（fāng）法的優缺（quē）點

激光加工（gōng）法是通過激光器發射（shè）激光至工件表麵，使其（qí）表麵部分材料發（fā）生（shēng）氣化和熔融（róng）。該方法具（jù）有能量密度高、加工效率高及加工過程汙染小等優點，是目（mù）前刀具表（biǎo）麵織構加工的主要技術。江蘇大學符永宏等采（cǎi）用二（èr）極管泵浦 Nd:YAG 激光器在YG6X 硬質合金刀具前刀麵加工出具有一定（dìng）尺寸和分布特征的微溝槽（cáo），其中微溝（gōu）槽寬度為 50 μm，深度為 8 μm，微溝槽與實際切屑流向分別成（chéng） 0°、30°和 60°。宋起飛等采（cǎi）用激光技術在試樣表（biǎo）麵加工出凹坑（kēng）等微織構，所加工的（de）凹坑直徑分（fèn）別為0. 4 mm 和 0. 8 mm，間距為 3 mm。胡天昌等則（zé）是通過激光技術在 45#鋼表麵加工出填充有固體潤滑劑 Mo S2的微坑，該微坑型（xíng）織構在（zài）材料表麵規則排布，其中微坑直徑分別為 65、170 和 260 μm，深度在 14～16 μm 之間。

電火花加工則是通過工件電（diàn）極與（yǔ）工具（jù）電極（jí）之間產生脈衝火花（huā）放電來腐蝕（shí）工（gōng）件，從而獲得所需的加工形狀。電火（huǒ）花加工法適用於傳統（tǒng）加工方式難以加工（gōng）的材料，同（tóng）時還能進行複雜結構的加工。Koshy 等通過電火花技術加工在刀具表麵加工（gōng）麵型織構和微（wēi）溝槽陣列，其中微溝槽方向與主切削刃平行，深度和寬（kuān）度約為 100 μm。山（shān）東（dōng）大（dà）學宋文龍等采用微細電火花技術在 YG8 硬（yìng）質合金刀具表麵加工出孔狀（zhuàng）微織構，其中微孔直徑為 0.35 mm，深度（dù）為 1 mm。

磨削加工法是通過砂輪尖端在刀具表麵加工出微織構。與其他非接觸式加工方法相比，磨削加（jiā）工在微織構形狀控製和表（biǎo）麵質量方麵具有一定優（yōu）勢。華南理工大（dà）學謝晉課題組采（cǎi）用磨削技術磨削刀具前刀麵，在未（wèi）塗層刀具表麵加工出 V 形的不同（tóng）方向的微溝槽（cáo），其中微溝槽深度在 25～149 μm 之間，方（fāng）向分（fèn）別與主切削刃平行、成 45°夾角和垂直。

離子束加工是在真（zhēn）空條件下，將離子束加速聚焦並投射到材料表麵，產生濺射效應和注（zhù）入效應，從而在材料表麵加工出微織構。離子束加工具有加工精度高，加工應力和熱變形都極小等優點，但其加工成本高、生產（chǎn）效（xiào）率低，故目前尚無法進行大規模（mó）應用。孫華亮等通過聚焦離子（zǐ）束技（jì）術在 Ti Al N 塗（tú）層刀具前刀（dāo）麵加工微溝槽，其中所采用的離子束能（néng）量為 30 ke V，束流（liú）為 21 n A，所加工出的微溝（gōu）槽（cáo）寬度（dù）為 2 μm，深度為 1.2 μm。英國 Chang W L 等采用離子束加工（gōng）技術在（zài）微銑（xǐ）刀前刀麵分別加工出與主切（qiē）削刃（rèn）平行、成45°夾角和垂直的微溝槽刀具，其中（zhōng）微溝槽寬度（dù）為 4.5 μm，深度為 7.5 μm，間距為 4.5 μm。

2 、織構化刀具（jù）的幾何（hé）類型及減摩機（jī）理

刀具表麵織構（gòu）的幾何類型主要有以下幾種：微凹坑、微溝槽和納米織構/微納複（fù）合結構陣列三大類（圖 1）。刀具（jù）表（biǎo）麵的（de）織構形貌在很大程度上影響著微織構刀具的減摩性能，隻（zhī）有當織構的幾何參數在一定範圍內，它（tā）才能發揮（huī）其潤滑作（zuò）用，為刀具減摩降磨提（tí）供保（bǎo）障。

圖 1 幾種刀具表麵織構類型

2.1 微溝槽型織構

刀具表麵加工微溝槽示例如圖 2 所示，與微坑織構（gòu）相比，微溝槽方向的不同在一定程度上會影響切屑的排出，進而影（yǐng）響織構化刀具的切削性能，故與微凹坑織構相（xiàng）比（bǐ），其減摩機理更（gèng）複雜。

圖 2 在刀具表麵加工（gōng）出微溝槽

目前在激（jī）光加工刀具（jù）表麵微織（zhī）構領（lǐng）域，對硬質合金織構化刀（dāo）具的研究最深入。長春理工大（dà）學於占江等采用激光加工法在 YG8 硬質合金表麵加工出微溝槽，然後在車床（chuáng）上進行 AL6061 鋁棒切削試驗，研究結果表明，微溝槽（cáo）的置入在一（yī）定程度上（shàng）減小了刀具（jù）前刀麵磨損並改善了工件的表麵質量，通過仿真（zhēn）分析，發現與無織構（gòu）刀（dāo）具相比，微溝槽刀具應力分布狀況得（dé）到改善。與此同時，他（tā）們還對比了橫向、縱向和斜（xié）向微溝槽的切削性能，發現橫向（xiàng）微（wēi）溝槽排屑較困（kùn）難，切屑粘結現象比較嚴重，刀具表麵有部分基體剝落，縱向和斜向微溝槽（cáo）有利（lì）於切屑排（pái）出，切屑粘結程度輕，刀具耐磨性得到提高。華中科（kē）技大學吳克忠等（děng）設計了具有減摩功能的織構（gòu）刀具（jù），並用此進行經正火後的（de） 50#鋼切削試驗，發現微織構刀具能有效降低切（qiē）削過程中的主切（qiē）削力，同時（shí）還可提高刀（dāo）具的斷屑性能。在傳（chuán）統（tǒng）切削加工中，刀具表麵易出現粘結現（xiàn）象，而刀具表麵與切屑粘結會加快刀（dāo）具的磨損，從而降低刀具耐用度。巴西 Davi N 等在 4 mm 水（shuǐ）層下（xià）或空氣中（zhōng）用不同功率的（de） Nd:YAG 激光（guāng）器在硬質合金刀具表麵加工出微織構，然後采用 PVD 技術在刀具表麵沉積一層 Ti Al N 塗層，由此製備出 Ti Al N 塗層微織構刀具（jù）並用它們幹車削 45#鋼，結果表明（míng）微織構刀具會（huì）減緩刀具表麵的（de）磨損，但不會（huì）改變其磨（mó）損機製；與此同時刀具表麵粗糙度相應增大，提高了基體上塗（tú）層的粘合性能。激光輻射（shè）所產（chǎn）生的熱會使刀具表麵硬質合金顆粒的化（huà）學成（chéng）分（fèn）發生改變，其 WC 相會生成新（xīn）的 WC1-x相，微織構刀具表麵抗粘結（jié）性能因此增強。

Silva W 等同樣用 Nd:YAG 激光器在硬質合金刀具前刀麵加工出陣列微溝槽，通過 CVD 技術在刀具前刀麵（miàn）沉（chén）積三層塗層（Ti CN-Al2O3-Ti N），微溝（gōu）槽方向分別平行和垂直於切屑流向，研究結果表明與無織構刀具相比（bǐ），微織構刀具可以降低刀具前刀麵磨損和後刀麵（miàn）磨損，提（tí）高刀具耐用度（dù），如圖3 所示，當微（wēi）溝槽方向垂直於切屑流向時刀具切削性能更好。

圖 3 刀具表麵磨損

日本 Kawasegia N 和 Enomoto T 等進行了硬質合金微織構刀具的切（qiē）削試（shì）驗及其（qí）減摩機理（lǐ）研究，發（fā）現與（yǔ）無織構刀具（jù）相比，微織構刀具可有效降低切削力並（bìng）提高刀具耐磨（mó）性（xìng），與此同時刀具表麵的潤滑狀態得到改善。究其原因可能是因為（wéi）刀具表麵微織構的置入減小了刀-屑接觸長度，減緩了刀具磨損，另外由（yóu）於微溝槽具有（yǒu）儲油、儲屑等功能，微織構刀具表麵的潤滑狀態得到改善，減小了刀-屑界麵（miàn）的摩擦。日本大阪（bǎn）大學 Sugihara T 等（děng）針對刀具表麵的嚴重（chóng）粘結現象，利用飛秒激光係統在刀具表（biǎo）麵加工出微（wēi）溝槽（cáo），在不同潤滑（huá）條件下切削中碳鋼，研究（jiū）結果（guǒ）表明微溝槽的（de）存在可同時（shí）減緩刀具表麵的前刀麵和後刀麵磨損，微織（zhī）構的尺（chǐ）寸也會影（yǐng）響刀具的耐磨性，溝槽（cáo）寬度適當增加可進一步減緩刀具磨損，但在幹切條件下，過大的溝槽寬度（dù）反而起負麵作用，此時接（jiē）觸應力增大，會抵消寬度增大所帶來的影響。此時織構參數和切削（xuē）條（tiáo）件對刀具抗磨性的（de）影響如圖 4 所示。

圖 4 不同條件（jiàn）下刀具前刀麵磨損最大深度

山東大學張克棟（dòng）等采用激（jī）光加工技術在刀具表麵加工微溝（gōu）槽，然後再沉積一層 Ti Al N 薄膜，如圖 5 所示（shì）。在潤滑條件和幹切削條件下分別比（bǐ）較無織構塗層刀具與織（zhī）構化塗層刀具的切削性能，發現在潤滑條件下切削液會進入微溝槽（cáo），微溝槽（cáo）收（shōu）集切屑（xiè）並為潤（rùn）滑膜提供切削液，故織構化塗層刀具可減緩刀具前刀麵磨損，降低切削力和切削溫度。在幹切削條件下，織構化塗層刀具和無織構塗層刀具（jù）的切削力基本相（xiàng）等（děng），由此可推測微溝槽具有儲存潤滑（huá）液的（de）功能。

圖 5 織構化塗層刀具溝（gōu）槽形貌、織構區域與非織構（gòu）化區域交界處形貌

此外（wài），也有學者將微溝槽織構應用至鑽頭表麵。美（měi）國西北大 Ling T 等（děng）通過激光加工技術在鑽頭表麵加工（gōng）出微溝槽（cáo）陣列，利用該（gāi）微織構鑽頭（tóu）在鈦合金板上進行鑽孔試驗，結果表明在鑽孔過程中（zhōng）無織（zhī）構鑽頭（tóu）和織構化鑽頭表（biǎo）麵均有切屑脫落，但織構化鑽頭切屑脫落更（gèng）多，相同鑽削條件下微織（zhī）構鑽頭耐用度更高。他們同時還加工了微（wēi）溝槽密度分別為 10%和 20%的織構化（huà）鑽頭，發現溝槽密度為 10%的（de）織構化鑽頭耐用（yòng）度最高（gāo），由此可見微溝槽密度並非越（yuè）大越（yuè）好，而是應處於一定範圍內（nèi）。

2.2 微凹坑型織構

合肥工業大學楊超等采用激光加（jiā）工技術在硬質合金刀具前刀麵（miàn）加工出微凹坑型織構並進行切削（xuē）試驗，該微織構三維形貌（mào）如圖 6 所示。通過改變微坑的直徑、深度、麵積占有率等參數，來比較不同幾何參數的微坑型織構對刀具切削性（xìng）能的影響，研究結果表明，切削過程中（zhōng）切削液（yè）可迅速進入微凹坑，改（gǎi）善刀-屑界麵潤滑狀態，但隻有當微織構幾何（hé）參數合適時，該微織構刀具才能（néng）有（yǒu）效改善刀具的切削性能（néng），在此基礎上得（dé）到了微織構幾何參數的最優組合，當微坑直徑為 110 μm 和 200 μm，深度為 7 μm，麵積（jī）占有率為 20%及微坑直徑為 170 μm，深度為 10 μm，麵積（jī）占有率為 10%時，微織構刀具切削性能最好。Obikawa T 等在硬質合金刀（dāo）具前刀麵製備了微方坑（kēng）陣列織構，通過正交切削試驗，研究了微凹坑織構對刀-屑界麵潤滑狀態的影響。德國 Johannes K 等同樣在（zài）硬質合金刀具表麵加工出微凹坑（kēng）織構（gòu），如（rú）圖 7 所示。之後由此進行碳素鋼切削試驗（yàn），研究結果表明與無織構刀具相比，微（wēi）凹坑（kēng）型織構在切削過程中積屑瘤更（gèng）穩定（dìng），這（zhè）在一定程度上減緩了刀具磨損（sǔn），提高了刀具耐（nài）用度。美國（guó） Lei S 等采用飛秒激光技（jì）術在硬（yìng）質合金刀具前刀麵加工出直徑（jìng）在幾十到幾百微米的微坑織構，微坑織（zhī）構中還填有固（gù）體或液體（tǐ）潤滑劑，由此進行低碳鋼（gāng）切削試驗。研究結（jié）果（guǒ）表明（míng）：與無織構刀（dāo）具相比，微坑型織構刀具（jù）降低了切削力，其刀-屑接觸長度降低約 30%。

Ma J F 等則對（duì）微坑織構參數在切削過程中的作用進行了仿真分析，結果表明微坑的存在降低了切削過程中的能量消耗，並減小了切削力。

圖 6 微凹坑型織構三維形貌

圖 7 微（wēi）凹坑型織構（gòu）化刀（dāo）具前刀麵形貌

陶瓷刀具具有耐磨性好、硬度（dù）高及高溫力學性能優良等優點，故其多用於加工難加工材料，通過將表麵（miàn）織構技術與陶瓷刀具相結合，可進一步提高其對難加工材料的切削性能（néng）。廣東（dōng）工業大學劉澤宇（yǔ）等通過激光技術在陶瓷刀具表麵加工出微坑（kēng）並進行摩擦磨損試驗（yàn），研究結果表明與無織構陶瓷刀具相比，微織構陶（táo）瓷刀具可降低係統摩擦（cā）副表麵的摩擦係數，微坑的（de）存在可擴大刀（dāo）具的散熱麵積，降低切削溫度，同時微（wēi）坑還能容納（nà）一部分切（qiē）屑，提高刀具的抗粘結性和抗磨損性，通過有限元分析發現無織構陶瓷刀具應力集中現象十分明顯，而微織構陶瓷刀具（jù）的應力分布狀（zhuàng）況得到了改善，應（yīng）力場分布較均勻。

2.3 納米織構微納複合織構陣列

單一型微織（zhī）構刀（dāo）具具有尺寸相對較大，減摩降磨性能好，在（zài）潤滑條件下能有效降低切削溫度等優點，但研究發現單一型微織構刀具在切削（xuē）過程中極易出現二次切削現象，切屑很容易堵塞（sāi）微織構。單（dān）一型納米織構刀具（jù）尺寸（cùn）較小（xiǎo），故其織構深度較小，刀具抗磨性能提高有限，減摩降磨作用時間也將有（yǒu）所（suǒ）減小。微納複合織構陣列則綜合了二者（zhě）特點，其切（qiē）削性能與（yǔ）二（èr）者（zhě）相比有了一定程度的提高（gāo）。

日本 Kawasegi N 等采用飛秒（miǎo）激光（guāng）技術在硬質合金（jīn）刀具表麵加工出微米和納米溝槽，在微量（liàng）潤滑（huá）條件下對鋁合金進行（háng）切削試驗（yàn），研究結果表明微納米織構的（de）存在能（néng）提高刀（dāo）具耐磨性，降低切削過程中的切削力，與此同時，溝槽相對於切屑（xiè）流出方向的不同會影響微織構刀具的切（qiē）削性（xìng）能，其中垂直於切屑流出方向的微織構刀（dāo）具切削性能最好。Sugihara T 等針對鋁合金深孔加工過程（chéng）中切屑嚴重粘結等問題，同樣采用飛秒激光加工技術在硬質合（hé）金（jīn）刀具表麵加工出微納複合織構，在（zài）切（qiē）削鋁合金過程中發現微納複合織構（gòu）改善了刀-屑界麵的潤滑狀態，減輕（qīng）了刀具表麵的切（qiē）屑粘結現象。這為刀具減摩降磨研究提供了新的指導方向，在此基（jī）礎上，他（tā）們（men）設計了一種新型微納複合陣列織構（gòu）化刀（dāo）

具，以降低刀具磨損和提高刀具耐用度。

山東大學（xué）邢佑強等采用飛秒激光技術在 Al2O3/Ti C 陶瓷刀具表麵分別製備了平行於切削刃、垂直於（yú）切削刃及波浪狀這些幾何（hé）特征不（bú）同的微納織構（gòu），其中波浪（làng）狀微納複合織構如圖 8 所示（shì），在幹切條件下進行切削淬火鋼試驗，發現與普通（tōng）刀具相比，微（wēi）納（nà）織（zhī）構刀（dāo）具（jù）不僅能減少刀具磨損，還能（néng）減（jiǎn）小（xiǎo）切削過程中的機械振動，從而（ér）得到更均勻的表麵質（zhì）量。由此推斷（duàn）在幹切條件下微織構的存在仍有（yǒu）一定的積（jī）極（jí）作用，它仍可以收集切屑，減輕切削過程中刀具表麵的“犁溝”現象，同時減小了刀-屑（xiè）接（jiē）觸長度，這樣（yàng）可減小切屑在刀具表麵的（de）粘結。馮秀亭等結合納米織構和微米織構的特點，采用 Nd:YAG 激光器分別加工了納米織構和微/納（nà）複合織構陶瓷刀具，並（bìng）與微米織構刀具相對比，發現（xiàn）微（wēi）/納複合織構（gòu）刀具減摩降磨效（xiào）果最好，並用有（yǒu）限元分析方法進行了驗證。在前期的切削過程中，納米織構居於主導地（dì）位，經一段時間後，微米織構起主要作用，整個切削過（guò）程刀具（jù）抗磨性都得到加強。

圖 8 微納複合織構（gòu）刀具. (a)Al2O3/Ti C 陶瓷刀具表麵 SEM 圖; (b)微米織構 SEM 圖; (c)微溝槽三維光學顯微鏡圖; (d)和(e)納米織構 SEM 圖; (f)納米溝槽（cáo） AFM 圖

2.4 不同類型織構的（de）減摩機理

在表麵織構對刀具減摩機理的認識方麵，目前研（yán）究認為刀具表麵（miàn）加工（gōng）微（wēi）織構後，將形成具有（yǒu）高強度、高硬度的晶層和殘餘壓力層，這（zhè）在一定程度上可提高刀具耐用度。另一（yī）方麵，微織構刀具能減小刀-屑接觸長度，同時其磨粒磨損現象減輕，從而減緩刀具（jù）磨損。不僅如此，在潤滑條（tiáo）件下進（jìn）行刀具切（qiē）削試驗（yàn）時，刀-屑界麵往往處於邊界（jiè）潤滑狀態（tài），微織構此時其儲存潤滑液的功能，為（wéi）刀-屑界麵提供二次潤滑，進一步減緩刀具磨損。

實際上，織構類型不同，刀-屑界麵（miàn）潤滑膜狀態也將有所差異，從（cóng）而造成刀具（jù）的減摩降磨功能不同（tóng）。不同（tóng）類型織構對潤滑狀態的影響如圖 9 所示。

通常來講，切屑的切削力和剪切力（lì）促使潤滑（huá）膜在刀-屑界麵運動，此時潤滑膜速度在垂直（zhí）於切屑運動方向將形成速度（dù）梯度（dù），平行於切屑（xiè）運動（dòng）方向的同一平麵內潤滑膜速度（dù）恒定（dìng）。對單一織（zhī）構類型而言（yán），潤滑膜運（yùn）動基本穩定，由於刀-屑界麵（miàn）通常處於邊（biān）界潤滑狀態，故刀具與（yǔ）切屑之間（jiān）的（de）潤滑膜可能處於斷續接（jiē）觸狀態（如圖 9a 和 9b）。對（duì）微凹坑織構而言，由於其潤滑膜扁平且相對密閉，故在微（wēi）凹（āo）坑周圍可獲（huò）得較高的潤滑膜壓力（lì）。而對（duì）微溝槽織構（gòu）而言，微溝槽還將連通外界空氣，此時在微溝（gōu）槽內的主要承載區域潤（rùn）滑膜厚度最大（dà），而微溝槽向有效承載區切削液的（de）不斷補充則會提高整體潤滑膜壓力。從接觸麵積來講，當微凹坑與微溝（gōu）槽的占空比（bǐ）（織構特征寬度（dù）與間距（jù）的比值（zhí））相同（tóng）時，在相同切削條件下微凹（āo）坑織構化刀具的刀-屑接觸長度要大於橫向（與（yǔ）切屑運動方向垂（chuí）直（zhí）的方向）微（wēi）溝槽織構化刀具，此時微凹（āo）坑織構化刀具摩擦副表麵接觸麵積更大，故微凹坑織構化刀具的刀-屑粘結和刀具磨損現象仍較為嚴重。

從熱傳導方麵來講，微溝槽織構比微凹坑（kēng）織構更有利於刀具的熱傳導，促進刀具表麵與空氣的對流，因此可更有效地降低切削溫（wēn）度。綜上（shàng），與微凹坑織構化刀具相比，橫向微溝槽織構化刀具在提高切削性能和刀具耐用度（dù）方麵具有（yǒu）更（gèng）佳的結果（guǒ）。

圖 9 不（bú）同類型織構的潤滑狀態示意

對於混合織構（gòu）而言，由於刀具表麵（miàn）織構類型（xíng）的變化將（jiāng）降低潤滑膜的穩定性，故此時沿垂直於切屑運動（dòng）方向潤滑膜速度將有所提高，而此方向潤滑膜（mó）的速度將對邊界潤滑狀態下潤滑膜分布不均的狀態起到（dào）改善（shàn）作用。此外，微織構的作用相當於流（liú）體動（dòng）壓潤滑軸承，流體潤滑（huá）狀態的改（gǎi）變將增大其徑向力。結合圓弧織構與三角剖麵織構的混合織構（gòu）將改善界麵的（de）壓力分布，從而起到（dào）提高潤（rùn）滑膜徑向力的（de）作用。潤滑膜徑向力的提高，可使刀-屑界麵之間的（de）接觸區域減小，降低界麵摩擦力，從而降低切削力、平均（jun1）摩擦係數和刀具磨損。

3 、織構化自潤滑刀具

在金屬切削加（jiā）工（gōng）過程中，刀具（jù）表麵（miàn）摩擦劇烈，切削溫度很高，到達一定（dìng）程度（dù）後刀（dāo）具會因磨損劇烈而（ér）失（shī）效。故為（wéi）減輕切削過程中（zhōng）刀具磨損現象，目前（qián）普遍在切削加（jiā）工過程中使用切削液。然而自潤滑材料的出（chū）現為刀具減摩降（jiàng）磨提供（gòng）了新（xīn）的途徑。自潤滑刀具在（zài）幹切削條件下仍然能夠實現自潤滑加工，它（tā）主（zhǔ）要是依靠刀具在高切削溫度的條（tiáo）件下發（fā）生摩擦化學反應，此時刀具（jù）表麵有潤（rùn）滑膜（mó）產生，從而實現其自潤（rùn）滑功能，除此之外，也可向刀（dāo）具材料中添（tiān）加固體潤滑劑或表麵（miàn）離子注入等實現刀具自潤滑（huá）功能，這樣可以避免（miǎn）在切削過程中使（shǐ）用切削液，減少環（huán）境汙染。

山東大學鄧建新等將表麵織構技術與自潤（rùn）滑刀具（jù）技術相結合，製備出微織構自潤滑刀具，微（wēi）織構內填充固體潤滑劑，如圖 10 所示。他們采用激光加工技術在硬質合金刀具前刀麵加工出微織構，微織構內填有 Mo S2固體潤滑劑，然（rán）後用此在幹切削條件下進行淬火 45#鋼的切（qiē）削試驗，試（shì）驗結果表明與傳（chuán）統刀具相比，微（wēi）織構自潤滑刀具（jù）能夠提高係（xì）統摩擦學性能，有效降低切削力，同時微織構的（de）幾何參（cān）數和分布區域也會影響刀具表麵的摩（mó）擦學（xué）狀況，微織構設計得當方能提高刀具的切削性能，減緩刀具磨損。

圖 10 微織構自潤滑刀具表麵形貌

吳澤等同樣通過激光技術在硬質（zhì）合金刀具表（biǎo）麵加工出橢圓形微溝槽（cáo）刀具，其中微溝槽深度為 50 μm，寬度為 150 μm，微溝槽內（nèi）還填充有固體潤滑劑，由此進行 TC4 鈦（tài）合金切（qiē）削試驗，發現與無織構（gòu）刀具相（xiàng）比，微織構自潤滑刀具能夠改善刀-屑界（jiè）麵的潤（rùn）滑（huá）狀態，還能顯著地降低切削過（guò）程中的切削力和切削溫度，從而提高刀具耐用度。連雲崧等通過飛秒激光微細（xì）加工（gōng）技術在硬（yìng）質合金刀具前刀麵加工出納米織構自潤（rùn）滑刀具（jù），並向織構內填充 WS2固體潤滑劑，用傳統刀具、納米織構刀具、納米織構自潤滑刀具進行對比（bǐ）切削試驗，研究結果表（biǎo）明與傳（chuán）統刀具相比，納米織構刀具和納米織構自潤（rùn）滑刀（dāo）具可有效減小刀-屑界麵的摩擦係數，減輕刀具的粘結現象並降低切削力和切削溫度，而在二者之中納米織構自潤滑刀具切削性能要優於納米織構（gòu）刀具。湘潭大學龍遠強等鑒於0Cr18Ni9 奧氏體（tǐ）不鏽（xiù）鋼的難切削特性（xìng），在硬質合金刀具前刀麵加工出填有固體潤滑劑的微織構，從而製備得到微織構自潤滑刀具，並用此刀具進行0Cr18Ni9 奧氏體不鏽鋼切削試驗，發現與無織（zhī）構刀具相比，微織構自潤滑刀具能顯著降低（dī）主（zhǔ）切削（xuē）力和切削溫度，其中主切削力降低了 8%～16%，切削溫度降低了 15%～24%，切屑粘結現象也得到（dào）了一定程度的減輕。

表麵織構技術與自潤滑刀具技術相結合在刀具應用領域具（jù）有廣闊的前（qián）景，但目前尚未明確在織（zhī）構（gòu）化自潤滑刀具中微織構與刀具自潤滑的減（jiǎn）摩作用的（de）主次性，有待進一步探討研究，由此可為織構化自潤滑刀具減摩機理提（tí）供指導理論方向。

4 、存（cún）在的問題

目前對微織構刀具的研究尚無係（xì）統的理論和試驗論證（zhèng），對微織構（gòu）刀具織構參數設計和位（wèi）置分布尚處於起步階段，還需進（jìn）一步的優（yōu）化設計理論和模型，並用仿真分析和（hé）試驗進行驗（yàn）證，進而優化刀具表麵微織構的尺寸、分布位置和方式。其次目前（qián）對刀具（jù）表（biǎo）麵織構的（de）研究多為利用織（zhī）構來減小刀-屑接觸長（zhǎng）度，實現織構的儲（chǔ）油、儲屑（xiè）等功（gōng）能，缺乏對切削介質運動狀態的控製，而且（qiě）因實際切削過程中刀-屑界麵工（gōng）況惡（è）劣，現有微織構刀具的減（jiǎn）摩功能會逐漸失效。

5 、結語

織構化刀具利用表（biǎo）麵技術在刀具表麵加工出織構，由此提（tí）高刀具的切削性能。國（guó）內外專家學者由此進行了大量（liàng）的試驗和分析，研究結果表明：織構化刀具（jù）可減小刀-屑接觸長度，提高係統摩擦學性能，減緩刀具（jù）磨損並減輕（qīng）切屑粘結（jié）現象，降低切削力和切削溫度。鑒於高速加工在我國製造業中的基礎地位和重要性及高速加工中刀具磨損現象極為嚴（yán）重，亟需開發新型刀具技術，提高刀具耐用度（dù）和（hé）工件加工質量，從（cóng）而降低生產成本並提高生產效率。故（gù）織構化刀具成為如今刀具製造業的研究熱點，在潤滑條件下，織構化刀具表（biǎo）現了良（liáng）好的切削性能（néng），可有（yǒu）效提高刀具耐用度，對新型（xíng）刀具技術的（de）發（fā）展具有極為深遠（yuǎn）的意義（yì）。

投稿箱：
如（rú）果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯係本網編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企推薦

業（yè）界視點

| 更多

行業數據

| 更（gèng）多

博文選萃

| 更多

數（shù）控（kòng）機床