干切削加工用自润滑刀具研究进展

潘培道，刘孝光，殷韦韦，张国青

（池州学院 机械与电子工程系，安徽 池州 247000）

1 引言

在传统的机械切削、磨削加工中，通常的作法是利用切削液的冷却、润滑作用来提高工件的加工质量和延长刀具的使用寿命。研究表明[1]:加工中切削液的费用占到了整个加工成本的16%左右，这无疑提高了零件加工的总成本。特别是随着人们的环保意识的加强，切削液对环境造成污染的严重性问题越来越引起人们的重视。因此，开发环境友好型的绿色制造工艺——干切削技术已成为先进制造技术的重要内容之一。

但干切削加工引起加工过程中的切削温度急剧升高，使得刀具磨损加剧，降低了刀具的使用寿命，同时恶化了工件表面加工质量。近年来研究者开发了如液氮冷却技术、最小微量润滑技术等新工艺[2-3]，但这些工艺技术因需添加辅助装置而增加了制造成本，具有一定的局限性。为取得经济效益和社会效益的统一，通过对刀具材料进行合理的摩擦学设计，使得刀具本身具有自润滑功能，将是解决干切削工艺的有效措施之一。

2 实现刀具自润滑功能的方式

所谓自润滑刀具是指通过对刀具材料进行合理的摩擦学设计，使得刀具材料的自身就具有一定的润滑功能。在不使用任何外加润滑液（剂）时，利用刀具本身具有的减小摩擦和抗磨损作用，从而改善干切削加工过程中的摩擦磨损以及润滑状况[4]。利用具有自润滑功能的刀具进行干切削加工，不仅使得加工工艺系统减少了冷却润滑系统，降低了生产成本，同时避免了切削液对环境造成的污染。

综合目前的研究进展，根据作用机理，实现刀具自润滑功能的方式可归纳为以下三大类：（1）通过在刀具表面制备软涂层实现刀具自润滑；（2）在刀具基体材料中添加固体润滑剂来实现自润滑；（3）利用原位反应实现自润滑功能。自润滑刀具分类如图1所示。

图1 自润滑刀具分类

3 常见的自润滑刀具种类及特点

3.1 软涂层自润滑刀具

涂层刀具按照涂层材质的不同可分为硬涂层和软涂层两种基本类型。所谓软涂层刀具是指将具有层状结构的MoS2、WS2等有着优良摩擦性能的固体润滑剂通过磁控溅射等工艺沉积到硬质合金或高速钢刀具基体上，或者在软涂覆层和基体间加金属过渡层，形成涂层刀具。利用固体润滑剂在切削加工过程中形成的膜剪切强度低和粘附力较强的特点，减小刀具-工件、刀具-切屑间的摩擦，从而达到减小切削力、降低切削温度和减小刀具磨损的目的，实现刀具的自润滑功能。

Fox[5]等通过用MoS2/Ti软涂层刀具进行了未使用切削液的干钻削孔实验研究，结果表明可显著提高钻孔数量，证明该种刀具具有较好的自润滑功能作用。赵金龙等用MoS2/Zr软涂层刀具（基体YT15）MZ-1和未涂层的YT15硬质合金刀具进行了干切削性能对比试验： 在 υc=90m/min、ap=0.5mm、f=0.1mm/r的切削条件下加工45号调质钢（HRC30），得到两种刀具后刀面的磨损量、前刀面的摩擦系数分别与切削速度的关系如图2、图3所示[6]，由图可看出，在切削过程中，涂层刀具的后刀面磨损量及前刀面的摩擦系数均小于普通硬质合金刀，表明软涂层刀具具有较好的自润滑功能。

图2 后刀面的磨损量与切削速度的关系

图3 前刀面的摩擦系数与切削速度的关系

软涂层刀具具有较好的自润滑功能，但在切削过程中若涂层磨损或由于基体与涂层结合力问题使得涂层脱落则造成涂层得不到补充的问题，所以有学者[7-8]开始研究制备软硬复合涂层刀具，将软涂层的自润滑性和硬涂层的耐磨性结合起来，既实现了刀具的自润滑功能，又提高了涂层刀具的使用寿命，这将是涂层刀具的一个重要发展方向。

3.2 添加固体润滑剂的自润滑刀具

此类刀具是指将 MoS2、WS2、CaF2等固体润滑剂直接添加到基体刀具材料中，受切削过程中的摩擦、挤压等作用，固体润滑剂析出，在刀具的前刀面上拖覆形成固体润滑膜，实现自润滑功能。综合目前的研究，作者根据刀具基体材料的不同，将此类自润滑刀具归纳为三种：基于陶瓷基的添加固体润滑剂的自润滑刀具、基于硬质合金或高速钢基体的微池自润滑刀具和微织构自润滑刀具。

（1）基于陶瓷基的添加固体润滑剂的自润滑刀具。通过合理的组分设计和化学相容性分析，设计制备出含有固体润滑剂的自润滑陶瓷刀具。曹同坤[9]等制备出A12O3/TiC/CaF2自润滑刀具材料，通过与未添加固体润滑剂的A12O3/TiC刀具切削铸铁和45号钢的性能对比试验，表明A12O3/TiC/CaF2刀具材料具有较好的减摩抗磨作用。

（2）微池自润滑刀具。在刀具的刀-屑接触部位通过特种加工方法加工出微孔阵列，在微孔中添加固体润滑剂，切削时受热膨胀、摩擦及挤压作用，固体润滑剂被挤压出微孔，继而在刀具表面拖覆形成固体润滑膜，实现自润滑。宋文龙等通过有限元分析手段，优化确定了微孔的结构参数，采用电火花加工方法，在YT14硬质合金刀具基体上加工出微孔，在微孔里添加 MoS2、CaF2、石墨（C）等固体润滑剂，制备出微池自润滑刀具。研究表明[10-12]：添加MoS2的微池自润滑刀具与传统的YT14硬质合金刀具在相同的切削条件下切削45号淬火钢（HRC35-40），三向切削力均约下降了30%左右；切削温度下降了20%左右；前刀面的摩擦系数显著降低；后刀面的磨损量降低了约15%。

（3）微织构自润滑刀具。在刀具的前刀面月牙洼磨损部位利用激光加工出微织构，在微织构中填充固体润滑剂，利用固体润滑剂和微织构的双重减摩抗磨作用，实现刀具的自润滑功能。吴泽[13]等采用激光器在YT14刀具的前刀面月牙洼磨损部位加工出分别与切屑流动方向近乎平行和垂直的两种微织构形式，并在微织构中添加MoS2固体润滑剂，制备出微织构自润滑刀具。研究结果表明：微织构自润滑刀具相较传统刀具切削力下降、前刀面磨损状况得到明显改善，尤以微织构形式与切屑流动方向近乎垂直的微织构自润滑刀具效果最佳。

上述三种形式的自润滑刀具由于固体润滑剂的加入，或者因为微孔、微织构的加工方法，将不可避免对刀具的机械力学性能产生影响。所以在实际的工程应用中还需注意刀具材料组分的合理匹配、微孔及微织构加工方法的选择和刀具结构设计的优化。

3.3 原位反应自润滑刀具

此类自润滑刀具的作用机理是通过在切削加工过程中产生的高温引发摩擦化学反应，利用原位生成具有润滑作用的反应膜来实现自润滑功能。在刀具材料组分设计时，针对性地找到在高温下具有润滑作用的固体润滑剂，如某些硼化物（ZrB2、TiB2等）在高温摩擦过程中生成的氧化物润滑膜，利用其较低的剪切强度和摩擦系数等特点来实现自润滑，再进行物理、化学相容性等分析，合理设计出原位反应自润滑刀具材料。此类刀具最适合高速干切削加工。

李彬[14-16]等用热压烧结工艺制备了Al2O3/ZrB2/ZrO2原位反应自润滑刀具材料，系统研究了其高温氧化特性、摩擦磨损特性和减摩机理，以及在不同气氛（N2、空气）中该刀具的切削性能。结果表明切削高温下在刀具表面原位反应生成的氧化膜B2O3具有较好的自润滑性能。

由于在切削过程中原位反应的发生，有可能对刀具的机械力学性能产生影响，对其相关机理的研究还有待进一步加强。

4 结束语

实现绿色制造和清洁生产是现代制造业的发展趋势，开发和应用具有自润滑功能的刀具技术是实现干切削技术的关键技术。今后对各种具有自润滑功能的刀具材料的研究要注重自润滑功能与刀具的机械力学性能的统一，运用材料制备中的新技术、新工艺开发性价比更好的自润滑刀具。

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