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          表面織構化刀具的研究現狀與進展

          2019年11月14日11:26
          來源:
          字號: T | T
          摘要:高速切削加工作為難加工材料的主要加工方式,在其切削過程中,刀具的快速磨損、加工表面質量差等問題顯著。近些年來,表面織構由于在控制摩擦、減小磨損和改善潤滑性能等方面的作用引起了國內外學術界和產業界的廣泛興趣,為刀具減摩降磨技術的研究提供了新方向。
             
              表面織構效應是通過在摩擦副表面加工出具有不同形狀幾何參數和分布特征的微凹坑、微溝槽等陣列結構時,表面的摩擦磨損和潤滑特性隨之改變的熱動力學效應。針對表面織構技術在刀具方面的應用研究,描述了刀具表面織構的主要制備方法,對比分析了各種制備方法的優缺點,然后分別闡述了微溝槽織構、微凹坑織構、納米織構/微納復合結構陣列以及織構化自潤滑刀具在減緩刀具磨損、提高加工質量等方面的研究現狀與進展,同時分析了表面織構改善刀具系統摩擦學性能的原因和機理,最后指出刀具表面織構技術目前研究存在的問題及其對刀具減摩降磨的重要意義。
           
               關鍵詞:表面織構;刀具;減摩降磨;加工質量;仿生學;潤滑
           

               高速切削技術作為先進制造技術中的重要技術之一,廣泛應用于航空航天、模具、機械裝備、汽車和醫學等領域。與傳統切削加工相比,高速切削加工能夠提高生產效率,但對難加工材料而言,高速切削加工過程中的高切削溫度和切削區域的劇烈摩擦會加快刀具磨損,刀-屑界面摩擦系數增大,影響表面加工質量。高切削溫度會導致主切削刃處應力及其溫度梯度增大,刀具耐用度大為降低,與此同時,刀具的快速磨損嚴重制約了切削效率的提高。在高速切削加工過程中,刀-屑界面上的材料會緊密結合,外部的潤滑液很難進入刀-屑界面,只能通過毛細滲透等方式到達摩擦副界面的邊界區域。上述原因共同導致了刀具的快速磨損和工件表面加工質量差的問題,故為了提高刀具耐用度和改善表面加工質量,可從改善切削區的摩擦潤滑狀況出發,優化刀具結構設計。
           
               表面織構技術作為表面工程技術中的一種,近些年成為表面工程領域中的研究熱點。所謂表面織構,是指通過電沉積、電火花、激光加工、光刻加工等方法在表面加工出不同幾何參數和分布特征的微凹坑、微溝槽等陣列結構。通過表面織構技術,可以改變刀具表面的拓撲形態,同時設計合理的表面織構來改善切削加工過程中刀-屑界面的摩擦狀
          況,從而減緩刀具磨損,這對切削加工而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面織構化刀具在不同切削條件下切削性能的研究,研究結果表明,通過在刀具表面加工出微織構,可有效改善刀-屑界面的摩擦學狀態,從而減緩刀具磨損,提高表面質量和加工精度。
           
               1 、 織構化刀具的制備方法
             
              在刀具表面加工微織構是一種提高刀-屑界面摩擦學性能的有效手段。刀具表面微織構所具備的儲油、儲屑、減小刀-屑接觸長度和切屑粘結等功能,可有效改善系統摩擦狀況和提高刀具切削性能。目前,刀具表面織構加工的主要方法有激光加工、電火花加工、磨削加工、離子束加工等。幾種微織構表面加工方法的優缺點如表 1 所示.
            
          表 1   表面微織構幾種制備方法的優缺點
           
            
            
              激光加工法是通過激光器發射激光至工件表面,使其表面部分材料發生氣化和熔融。該方法具有能量密度高、加工效率高及加工過程污染小等優點,是目前刀具表面織構加工的主要技術。江蘇大學符永宏等采用二極管泵浦 Nd:YAG 激光器在YG6X 硬質合金刀具前刀面加工出具有一定尺寸和分布特征的微溝槽,其中微溝槽寬度為 50 μm,深度為 8  μm,微溝槽與實際切屑流向分別成 0°、30°和 60°。宋起飛等采用激光技術在試樣表面加工出凹坑等微織構,所加工的凹坑直徑分別為0.  4  mm 和 0.  8  mm,間距為 3  mm。胡天昌等則是通過激光技術在 45#鋼表面加工出填充有固體潤滑劑 Mo S2的微坑,該微坑型織構在材料表面規則排布,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極與工具電極之間產生脈沖火花放電來腐蝕工件,從而獲得所需的加工形狀。電火花加工法適用于傳統加工方式難以加工的材料,同時還能進行復雜結構的加工。Koshy 等通過電火花技術加工在刀具表面加工面型織構和微溝槽陣列,其中微溝槽方向與主切削刃平行,深度和寬度約為  100 μm。山東大學宋文龍等采用微細電火花技術在 YG8 硬質合金刀具表面加工出孔狀微織構,其中微孔直徑為 0.35 mm,深度為 1 mm。
           
              磨削加工法是通過砂輪尖端在刀具表面加工出微織構。與其他非接觸式加工方法相比,磨削加工在微織構形狀控制和表面質量方面具有一定優勢。華南理工大學謝晉課題組采用磨削技術磨削刀具前刀面,在未涂層刀具表面加工出 V 形的不同方向的微溝槽,其中微溝槽深度在 25~149 μm 之間,方向分別與主切削刃平行、成 45°夾角和垂直。
           
              離子束加工是在真空條件下,將離子束加速聚焦并投射到材料表面,產生濺射效應和注入效應,從而在材料表面加工出微織構。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、生產效率低,故目前尚無法進行大規模應用。孫華亮等通過聚焦離子束技術在 Ti Al N 涂層刀具前刀面加工微溝槽,其中所采用的離子束能量為 30 ke V,束流為 21 n A,所加工出的微溝槽寬度為 2 μm,深度為 1.2 μm。英國 Chang W L 等采用離子束加工技術在微銑刀前刀面分別加工出與主切削刃平行、成45°夾角和垂直的微溝槽刀具,其中微溝槽寬度為 4.5 μm,深度為 7.5 μm,間距為 4.5 μm。
           
               2 、織構化刀具的幾何類型及減摩機理
           
              刀具表面織構的幾何類型主要有以下幾種:微凹坑、微溝槽和納米織構/微納復合結構陣列三大類(圖 1)。刀具表面的織構形貌在很大程度上影響著微織構刀具的減摩性能,只有當織構的幾何參數在一定范圍內,它才能發揮其潤滑作用,為刀具減摩降磨提供保障。
           
            

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