表面微织构麻花钻干钻削45钢的钻削性能研究*

邓大松，郭旭红，沈翔宇,陆历历,郭大林

(苏州大学 机电工程学院，江苏 苏州 215006)

表面微织构麻花钻干钻削45钢的钻削性能研究*

邓大松，郭旭红，沈翔宇,陆历历,郭大林

(苏州大学 机电工程学院，江苏 苏州 215006)

现代摩擦学认为合理的微织构表面具有更好的抗磨减摩性能。针对麻花钻在钻削过程中磨损严重问题，提出在高速钢麻花钻的前刀面加工出不同尺寸参数的沟槽型表面微织构，并进行干钻削45钢试验，分析微织构宽度和间距对表面微织构麻花钻钻削性能的影响。结果表明：表面微织构的存在能够有效地降低钻削力，增大钻屑卷曲，同时也能捕捉和容纳细小钻屑，减缓钻头的磨损。织构宽度对麻花钻的钻削性能影响较大，当织构宽度为100μm时麻花钻钻削性能表现最优，过大的织构宽度会造成钻削力上升，钻屑缠绕和粘结在麻花钻表面等负面效应。适度减小沟槽间距、增加沟槽数量能够提高表面微织构麻花钻的钻削性能。

表面微织构；高速钢麻花钻；微织构尺寸参数

0 引言

现代仿生学和摩擦学提出将平整的材料表面加工成具有规则造型的非光滑微织构表面，是一种能够有效改进表面摩擦性能的措施，大量的研究证实表面微织构在不同条件下分别起到提高表面承载能力、存储润滑剂提供润滑和捕获存储细小磨粒等作用[1]。近十几年来，国外学者发现表面微织构能够有效地提高刀具的切削性能，减小刀具的磨损[2-5]。Sugihara T等[6]认为表面微沟槽型织构的存在能够减缓刀具磨损，微织构宽度对刀具的耐磨性具有较大的影响。国内研究方面，邓建新等[7-8]在硬质合金和陶瓷材料车刀表面加工微织构并在织构中添加润滑剂制成织构自润滑刀具，研究发现这种刀具能够提供有效地润滑效果，减小刀具的磨损。符永宏等[9]研究发现沟槽型织构的间距越小刀具的抗粘性能越好，织构的方向对刀具性能影响较大，不恰当的织构间距和方向会显著增大刀具的磨损。杨超等[10]提出织构化表面的三维表征参数与车刀切削性能之间的关联性，分析了不同三维参数凹坑织构对车刀的切削性能影响。于占江等[11]进行微织构车刀高速微车削SUS304不锈钢的试验，试验结果表明微织构的置入能够有效提高刀具表面摩擦性能和切削性能。目前对于表面织构刀具的研究虽处于起步阶段，但现有的研究成果均证明了表面织构是改善刀具表面摩擦性能和切削性能的一个有效途径。国内外学者主要以平面车刀为研究对象，对旋转刀具的表面织构化研究尚少。

麻花钻作为孔加工的常用工具，由于受结构、制造和刃磨的限制，过快的钻头磨损严重制约了加工材料表面质量和加工效率的提高。因此急需发展麻花钻的新型结构，并对其钻削过程、钻头磨损机理和钻削加工性能进行深入研究。T D Ling等[12]利用皮秒激光在麻花钻的副后刀面制备沟槽型微织构，并进行钻削钛合金试验，研究结果表明副后刀面的织构能够有效地减少钛合金的附着，从而提高麻花钻的寿命。高焕焕[13]在麻花钻的前刀面设计了不同类型的表面微织构，研究表明织构的存在能够有效减小钻削力、钻削温度和钻头磨损，沟槽型表面微织构的性能最优。

针对目前国内外研究现状，利用激光加工技术在麻花钻的前刀面制备不同宽度和间距的沟槽型微织构，进行干钻削45钢试验，对比不同参数表面微织构麻花钻的钻削力、钻屑形态和钻头磨损，研究织构参数对表面微织构麻花钻钻削性能的影响。

1 钻削试验

1.1 麻花钻前刀面织构化

试验麻花钻选用上海工具厂生产的标准高速钢麻花钻，钻头直径为10mm。钻头几何角度：螺旋角30°，顶角118°，横刃斜角55°。在麻花钻的前刀面设计不同织构宽度和织构间距的沟槽型微织构，微织构方向垂直于主切削刃，深度为50μm。4种不同织构宽度的表面织构麻花钻编号分别为TK1、TK2 、TK3和TK4，4种不同沟槽间距的表面织构麻花钻编号分别为TJ1、TJ2、TJ3和TJ4，传统无织构麻花钻编号为T0，详细微织构参数见表1。

表1 微织构尺寸参数

1.2 表面微织构麻花钻制备

利用苏州天弘激光股份有限公司生产的光纤激光打标机在标准高速钢麻花钻的前刀面加工表面微织构，每种参数的表面微织构麻花钻制备3把。光纤激光打标机的波长为1064nm，脉冲宽度为60μs。在加工过程中，激光加工工艺参数(激光加工功率、激光加工频率、激光扫描速度和激光扫描次数)对微织构尺寸和表面形貌有较大的影响，通过不断地试加工，最终加工时采用的激光加工工艺参数如表2所示。加工完成后使用超声波清洗机清洗15min，清洗溶液为无水乙醇。待干燥后使用VHX-1000超景深三维显微镜观察表面微织构麻花钻的形貌和尺寸参数。图1a为表面微织构麻花钻TK2的表面形貌图，由图1b可见微织构宽度约为100.02μm，间距约为100.03μm，由微织构三维形貌图1c可见微织构深度约为50.82μm。

表2 激光加工工艺参数

(a)表面微织构麻花钻 (b)微织构二维表面 (c)微织构三维形貌TK2(20×) 形貌(200×) 图1 表面微织构麻花钻TK2表面形貌

1.3 试验方法

在哈斯立式加工加工中心VF-1上进行表面微织构麻花钻干钻削45钢的钻削试验，工件尺寸为70mm×70mm×70mm。利用Kistler-9257B型测力仪测量钻削过程中的钻削力。试验装置如图2所示。试验中钻削参数为：机床转速n=800r/min，进给量f=0.1mm/r，钻削深度h=15mm。

将每把麻花钻钻40个孔后使用扫描电子显微镜(SEM)观察各麻花钻前后刀面的表面形貌，测量麻花钻的后刀面磨损量。

图2 钻削试验装置示意图

2 结果与讨论

2.1 钻削力

钻削力主要来源于工件材料的变形抗力，以及钻头和钻屑、工件间的摩擦力。钻削过程主要包括钻入阶段、钻中阶段和钻出阶段。当麻花钻完全钻入工件后，即钻中阶段时钻削力趋于平稳，因此取平稳阶段的数值计算平均钻削力。图3是在试验条件下利用测力仪测量的传统无织构麻花钻干钻削45钢的轴向钻削力图，其平均钻削力为1541N。

图3 传统无织构麻花钻钻削力

图4为不同织构宽度的表面微织构麻花钻与传统麻花钻的钻削力对比图。由图可见，在试验条件下，所制备的不同宽度的表面微织构麻花钻在钻削过程中钻削力与传统麻花钻相比均有不同程度的降低，其中宽度为100μm的TK2表面微织构麻花钻钻削力降低最明显，降低了26.4%左右，TK1、TK3和TK4分别降低了约8.2%、9.8%和7.7%。随着微织构宽度的增加，钻削力先减小后增加，说明在合理的织构宽度范围内适量增加织构宽度，可以进一步减小钻屑与麻花钻前刀面之间接触面积，减小刀—屑间的摩擦力，从而减小钻削力。但过大的织构宽度则会带来麻花钻前刀面表面粗糙度增加、表面承载面积过小、钻头强度降低等负面作用，钻屑在麻花钻前刀面流动过程中，过大的织构边缘形成新的切削刃对钻屑造成了“二次切削”[14]，刀—屑间的摩擦力增大，钻削力增大。因此只有在合理范围内的织构宽度才能有效地起到减小钻削力的作用。

图4 不同织构宽度表面织构麻花钻钻削力

图5为不同织构间距的表面微织构麻花钻与传统麻花钻的钻削力对比图，与传统无织构麻花钻相比，表面微织构麻花钻TJ1、TJ2、TJ3和TJ4的钻削力分别降低了约31.5%、26.4%、25.4%和26.6%。随着织构间距的增加，钻削力略有增加，但变化的幅度较小。分析可能的原因是随着织构间距的增加，织构区域的沟槽数量逐渐减少，在钻屑流动过程中与麻花钻表面接触面积增大，从而导致钻削力增大。

图5 不同织构间距表面织构麻花钻钻削力

2.2 钻屑形态

图6是不同麻花钻在钻削过程中形成的钻屑形态，从图中可以看出，传统无织构麻花钻T0的钻屑呈带状，长度较长，卷曲较小。对比不同织构尺寸的表面微织构麻花钻和传统无织构麻花钻的钻屑形态，表面织构麻花钻的钻屑呈锥螺旋形，钻屑卷曲较大且长度较短。微织构宽度越大，钻屑卷曲越大；宽度为200μm的TK4麻花钻的钻屑长度较长且在钻削过程中缠绕在麻花钻上。

在钻削过程中，作用在钻屑上的任一方向的力矩分量的增加将会使钻屑在同方向的卷曲增加[15]，织构的存在能够改变钻屑在麻花钻螺旋槽中的流动状态，织构边缘与钻屑之间的接触应力促使钻屑向外卷曲和断裂，从而起到了断屑槽的作用。但是过大的织构宽度会严重阻碍钻屑在织构区域的流动，过大的接触应力造成钻屑背向麻花钻前刀面运动，减弱麻花钻螺旋槽的作用，在钻削过程中，钻屑缠绕在麻花钻的外表面，不利于钻屑的断裂和排出。

图6 不同麻花钻产生钻屑的宏观形态

2.3 麻花钻磨损分析

图7为传统无织构麻花钻的前刀面磨损形貌图，由图7a可见，无织构麻花钻前刀面主切削刃附近出现明显的粘结现象，图7b为粘结区域放大图。由于麻花钻在钻孔过程中处于半封闭空间，当钻削塑性材料时，主切削刃附近温度较高，在高温高压条件下，钻屑与麻花钻表面由于强烈摩擦形成滞留层。无织构麻花钻前刀面区域放大图由图7c所示，由图可见，无织构麻花钻的前刀面处出现了明显的犁沟现象，其磨损形式主要为磨粒磨损。

(a)前刀面形貌 (b)粘结区域放大图 (c)前刀面局部区域放大图图7 无织构麻花钻前刀面磨损形貌

图8为表面微织构麻花钻TK1的前刀面磨损形貌图，由图8a可见，表面微织构麻花钻TK1主切削刃附近没有明显的粘结现象。图8b为主切削刃附近区域磨损形貌放大图，与无织构麻花钻相比，表面微织构麻花钻TK1的前刀面犁沟状的磨损不明显。观察发现当钻削40个孔后麻花钻边缘处沟槽已经被填平且表面较为光滑，如图8c所示。分析认为表面微织构麻花钻在干钻削过程中，微织构的存在起到了捕捉和存储细小钻屑磨粒的作用，减少磨粒与麻花钻前刀面的接触摩擦，从而减轻了麻花钻前刀面犁沟状的磨粒磨损。但随着钻孔数量的增加，大量的细小钻屑不断填充在沟槽内，最终将使表面微织构失去作用。

(a)前刀面形貌 (b)切削刃区域局部放大图 (c)微织构区域局部放大图

图8TK1麻花钻前刀面磨损形貌

对比表面微织构麻花钻与传统麻花钻在钻削40个孔后的后刀面磨损图，如图9所示。由图可见，无织构麻花钻T0和表面微织构麻花钻TK3、TK4的钻尖处存在大量的粘结，其它微织构麻花钻只有正常的后刀面磨损，钻尖边缘处磨损较大。分析认为合理宽度和间距的表面微织构能够促使钻屑卷曲和断裂，减少了刀—屑之间的接触面积和接触时间，钻屑快速带走大量的热，避免了钻屑粘结在麻花钻表面。但是过大的织构宽度会阻碍钻屑的流动速度，造成钻屑滞留在麻花钻的切削刃附近，从而在高温条件下形成粘结。

图9 不同麻花钻的后刀面磨损形貌

测量各麻花钻钻削40个孔时的后刀面磨损量，如图10所示，从图中可以看出，表面微织构麻花钻的后刀面磨损量与传统无织构麻花钻相比均有所减小，说明表面微织构的置入能够有效地减缓麻花钻后刀面的磨损。当织构宽度增加时，后刀面磨损量先减小后增加，织构宽度为100μm左右的表面微织构麻花钻的后刀面磨损量最小；当织构间距逐渐增加时，后刀面磨损量逐渐增加。

图10 麻花钻后刀面磨损量

3 结论

(1)与传统无织构麻花钻相比，麻花钻前刀面表面微织构的存在能够有效地降低钻削力，增大钻屑卷曲，减缓麻花钻表面磨损。

(2)织构宽度对麻花钻钻削性能影响较大，过大的织构宽度会带来严重的负面效应。当微织构宽度为100μm左右时，表面微织构麻花钻钻削性能最优。

(3)减小织构间距，增加织构区域中沟槽的数量，能够进一步降低钻削力，减缓麻花钻的磨损，提高麻花钻的钻削性能。

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DrillingPerformanceoftheSurfaceMicro-TexturedTwistDrillsinDryDrilling45steel

DENG Da-song，GUO Xu-hong，SHEN Xiang-yu，LU Li-li，GUO Da-lin

(College of Mechanical and Electric Engineering, Soochow University, Suzhou Jiangsu 215006, China)

Modern tribology thinks that the reasonable micro-textured surface has better anti-wear and anti-friction performance. In view of the serious wear of twist drill in the drilling process, the surface micro-texture with different dimension parameters on the rake face of the HSS twist drill is proposed. In order to research the drilling performance of the surface micro-textured twist drills and analyze the impact of micro-texture with different groove width and distance, the micro-textured twist drills are tested by dry drilling 45 steel. The experimental results show that the micro-textured twist drill can effectively reduce the drilling force, increase the drilling cuttings curl, capture the small cuttings and slow the abrasion of the drill. The groove width of micro-texture have a great effect on the drilling performance, 100μm is a best groove width. Within a certain range, increasing the groove width is beneficial to improve the drill performance, but oversized width may bring out serious negative effects. It is better to decrease the distance of each groove and increase the number of the micro-texture.

surface micro-texture；HSS twist drill；dimension parameters

TH142;TG713

A

1001-2265(2017)12-0147-04

10.13462/j.cnki.mmtamt.2017.12.037

2017-02-07

江苏省科技成果转化项目(BA2014004)；江苏省普通高校研究生科技创新项目(ZY32003615)

邓大松(1992—)，男，南京人，苏州大学硕士研究生，研究方向为表面微织构麻花钻，(E-mail)20145249005@stu.suda.edu.cn；通讯作者：郭旭红(1963—)，男，甘肃天水人，苏州大学教授，硕士生导师，研究方向为高速精密加工技术，(E-mial)xuhongguo@suda.edu.cn。

(编辑李秀敏)