刀具表面微织构的研究现状与进展

王英姿

(济南大学 材料科学与工程学院，山东 济南 250022)

切削加工过程中，刀具表面与工件之间存在着剧烈的摩擦接触，使得切削接触区存在温度高、刀具磨损快、切削力大以及工件表面质量低等问题。尤其是在高速切削、干切削以及切削难加工材料过程中，切削力更大、温度更高、切削环境极为恶劣，使得刀具寿命也随之降低。

随着对摩擦学研究不断的深入，人们发现并不是表面越光滑摩擦学性能越优异，反而是像穿山甲、鱼鳞等具有微小结构的表面，具有高耐性磨、低摩擦系数等优点。刀具表面微织构是指利用生物仿生学原理，在摩擦表面加工出一定尺寸、形状的微米级结构[1]，从而提升刀具的切削性能以及摩擦学性能。在刀具发生摩擦的区域加工出一些微坑或微沟槽阵列结构，更有利于润滑介质的渗入、成膜，有助于提高润滑效果，起到减摩的作用；从而抑制工件材料粘刀现象，减缓刀具磨损，延长刀具耐用度。近年来，对刀具表面织构的研究越来越多，人们对刀具表面织构的认识越来越深刻。表面微织构具有减少刀-屑接触长度、存储润滑剂和捕捉磨屑等作用[2]，已经成功应用在刀具表面上[3]。微织构形貌从最初的凹坑、凹槽 凸包状，变为更复杂的正弦、椭圆、圆阵列和鱼鳞状等[4]，如图1所示。不同形状的微织构对刀具表面的摩擦学性能的影响必然不同。因此，研究不同微织构的形貌，将明显提高刀具的使用寿命和摩擦学性能，并降低切削过程的切削力和切削温度，改善工件表面的加工质量[5]。

1 微织构加工方法及形貌

与传统的刀具相比，微织构刀具的使用寿命、摩擦学性能明显提高，并且具有储存润滑剂、减少刀-屑接触长度、降低切削力和切削温度等优点。目前常用的微织构加工方法包括：激光加工[6]、电火花加工[7]、光刻技术[8]、磨料射流加工[9]、磨削加工[10]、聚焦离子束加工[11]等，在刀具方面应用广泛的为激光加工、电火加工和光刻技术。

1.1 微织构的激光加工技术

激光加工是通过将光束聚焦，使焦点位置获得极高的能量密度和温度，使加工材料熔蚀的加工方法，具有加工可控性好、加工速度快和加工精密高等优点。加工过程能量密度高，热影响区较小，加工变形较小，表面质量较高，且无噪声，加工尺度可达纳米级，但加工设备比较昂贵。

Da等[12]采用Nd：YAG激光加工技术，在硬质合金涂层刀具表面制备了微凹槽织构(深约2.05 μm)，刀具及织构形貌如图2所示，并与无织构刀具共同进行车削ABNT/AISI 1050钢材的对比试验。结果表明，具有微凹槽织构的刀具寿命明显高于无织构刀具；但在微动磨损试验中，由于微凹槽织构的存在，使得刀具硬度降低，从而导致织构刀具的磨损率高于无织构刀具。高鹏等[13]利用激光加工技术在AlCrN涂层刀具表面制备了深35 μm、宽50 μm的沟槽微织构，微织构之间的距离分别为300 μm、400 μm和500 μm，在载荷为10 N条件下，与45淬火钢球对磨。结果表明，间距为400 μm的微织构与淬火钢对磨时，摩擦系数最小。邢佑强等[14]利用激光打标机在AlCrN涂层表面制备了倾斜角度不同的凹槽微织构(图3)，并与钢球对磨，微织构与摩擦方向分别呈0°、45°和90°。结果表明，与摩擦方向呈0°的微织构表现出的摩擦学性能最为优异，与其它两种微织构相比表面粘结现象更轻，且对磨球的磨损体积最小。王震等[15]利用HGL- LSY5OF型激光打标机在硬质合金表面加工出微坑阵列，微坑直径为φ100 μm，深度20 μm，间距为200 μm，并与钛合金(Ti6A14V)进行摩擦试验。结果表明，制备了微织构的硬质合金表面摩擦学性能得到明显改善，在低速重载和高速中载的情况下，具有向好的减磨效果。张贵梁等[16]利用XCGX-20W光纤激光，在硬质合金表面制备了不同间距的正弦和直线型沟槽微织构，织构深20 μm，宽40 μm，微织构间距分别为400 μm、500 μm和600 μm(图4)，分别与Al2O3陶瓷球对磨。结果表明，制备了正弦波形微织构的硬质合金表面摩擦系数均低于直线型微织构表面。

(a)凸包 (b)凹坑 (c)凹槽 (d)鳞片图1 织构形貌Fig.1 Texture morphology

(a)无织构刀具 (b)微凹槽织构刀具 (c)微凹槽织构形貌图2 刀具及织构形貌Fig. 2 Cutting tools and texture morphology

(a)0° (b)45° (c)90°图3 不同角度凹槽微织构Fig. 3 Micro texture of grooves with different angles

(a)正弦d=400 μm (b)正弦d=500 μm (c)正弦d=600 μm

(d)直线d=400 μm (e)直线d=500 μm (f)直线d=600 μm图4 不同间距的正弦、直线沟槽微织Fig. 4 Micro weaving of sinusoidal and linear grooves with different distances

1.2 微织构的电火花加工技术

电火花加工是利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电，并产生高温来熔蚀工件材料的加工方法。电火花加工方法能够加工各种硬、脆和高熔点的导电材料，可加工深孔、曲面以及复杂形状工件。加工尺度受工具电极影响，加工尺度在微米级，而且要求工件具有导电性。对一些非导电材料的加工工序较为复杂，加工效率较低，对工件烧蚀较为严重，加工表面精度相对较低。

宋文龙等[17]通过电火花加工技术在硬质合金表面制备直径φ为35 μm，深1 mm的微孔，并填充MoS2固体润滑剂，对45钢进行切削试验。结果表明，微孔具有存储润滑剂的作用，并在切削过程中，润滑剂从微孔中析出，在硬质合金表面行程润滑膜，能够显著降低摩擦系数，减小切削力。吴泽等[18-20]利用电火花加工技术，在硬质合金表面加工了直径φ为0.15 mm、深度0.3 mm的凹坑微织构(图5(a)、(b))。此外，还利用激光加工技术，在刀具表面制备了椭圆形微织构(图5(c))，并通过有限元分析。微织构的存在对刀具前刀面的应力分布无明显影响，并且能够降低切削力和切削温度，减轻前刀面的磨损。

(a)3微孔织构 (b)4微孔织构 (c)椭圆微织构图5 电火花及激光加工微织构Fig. 5 micro texture of electric spark and laser machining

1.3 微织构的光刻加工技术

光刻技术是将照相复制与化学腐蚀相结合，在加工材料表面制备所需图形的加工方法，该技术多用于半导体元件以及集成电路的制备。文献报道一些学者将该技术应用到微织构的加工，加工尺度在微米级，加工工件表面质量高。与激光加工以及电火花加工技术相比，光刻加工的深度较浅，成本较高。

Toshiyuki等[21]利用光刻技术在硬质合金刀具表面制备了4种不同形状的微织构，包括：凹坑点阵、凸点阵列、垂直于主切削刃的凹槽和平行于主切削刃的凹槽，微织构形貌如图6所示；并在表面涂覆金刚石薄膜(DLC)或TiN，进行对铝合金的切削试验。结果表明，平行于主切削刃的凹槽织构和凸点阵列能够有效地减小摩擦力和降低摩擦系数，并且微织构间距为25 μm的减磨效果优于间距为50 μm和100 μm的微织构。

(a)凹坑点阵 (b)凸点阵列

(c)垂直于主切削刃的凹槽 (d)平行于主切削刃的凹槽图6 DLC微织构刀具Fig. 6 DLC micro texture

1.4 微织构的其他加工方法

Pankaj等[22]利用聚焦离子束技术(FIB)在刀具上制备了3种不同形状的微织构，如图7所示；并对钛合金(Ti6A14V)进行切削实验。结果表明，正方形和圆形织构刀具表面的粘结现象得到明显改善，切削力随着织构的宽度和深度的增加而减小，且随着织构间距的增加而增加；其中，正方形织构刀具的切削力、摩擦系数最低，刀具使用寿命得到明显提高，并且微织构可以用作固体润滑剂的存储。

(a)直线凹槽 (b)方形凹槽 (c)圆形凹槽图7 微织构形貌Fig. 7 micro texture morphology

2 表面织构刀具的作用机理

微织构刀具的减磨机理主要分为两方面：第一，由于材料表面具备许多微织构，可以减小刀屑接触面积，降低切削力和切削温度； 其次，微织构具有存储润滑剂的作用，能够提高在切削过程中的润滑效果。

邓建新等[23]研究了织构化硬质合金刀具材料表面的减摩机理。将织构化硬质合金刀具进行干切削，在刀-屑接触区形成润滑膜的情况下，刀具前刀面的摩擦力Ff可以由式(1)计算：

Ff=αwlfτc

(1)

其中:lf是刀屑接触长度，aw是切削宽度，τc是刀屑间润滑膜的剪切强度。而切削合力Fr，主切削力Fz，背向力Fy可以由式(2)、(3)、(4)计算所得：

(2)

(3)

(4)

其中β是摩擦角，Υ0是前角。由式(2)、(3)、(4)可知切削合力Fr，主切削力Fz，背向力Fy是与润滑膜的剪切强度以及刀屑间接触长度lf成线性关系。图8分别表示出3种不同刀具(传统刀具CT、织构化刀具TT、WS2涂层织构化刀具TT-WS2)的刀屑接触长度的原理图。可以看出TT刀具的刀屑接触长度由于织构的存在与CT刀具相比会有减少，实际接触长度可以表示为：

(5)

宋文龙等[24]研究了填装MoS2的织构化硬质合金刀具材料表面的减摩机理，如图9(a)所示。微织构自润滑刀具试样表面在摩擦刚开始阶段，由于没有外力作用固体润滑剂无法从微织构中析出；当摩擦副开始相对运动，由于对磨球的摩擦和挤压作用，固体润滑剂从微孔中析出，并在摩擦副表面粘着、拖覆，参与到摩擦运动过程中(图9(b))。由于固体润滑剂MoS2具有较低的硬度、剪切强度以及良好的附着性能，能够有效减缓摩擦副之间的摩擦力，降低摩擦系数；但由于此时表面没有形成较完整的润滑层，摩擦系数仍然相对较高，波动较大。随着摩擦的进行，由于MoS2具有良好的附着性能，固体润滑剂在表面大量粘着、拖覆，并形成一层稳定的润滑膜层(图9(c))，使摩擦发生在润滑膜内部，从而改善摩擦副的对磨条件，改善微织构刀具的摩擦性能。

(a)滑动开始前 (b)滑动初始阶段 (c)稳定滑动阶段图9 织构表面润滑膜形成示意图Fig. 9 schematic diagram of the formation of the lubricating film on the texture surface

3 结束语

微织构刀具是将刀具表面加工出各种不同微织构形貌以提高刀具表面摩擦学性能的新型刀具。在刀具表面可制备各种相貌的微织构，包括：凹槽、凹坑、凸包、正弦波形、正方形、圆形和椭圆形等多种微织构，研究了摩擦角度及微织构间距、深度、宽度等参数对摩擦学性能的影响。结果表明，微织构刀具在改善刀-屑接触面积、降低切削力和切削温度等方面效果显著。今后进一步应研究微织构不同间距、深度、宽度和形貌对刀具性能的影响，从而制备出性能更为优异的微织构刀具。