金属切削综述

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1、天津理工大学表面织构刀具研究综述苏哩莉（天津理工大学机械工程学院300384）摘要:现代金属切削加工的总体发展趋势是高速、高效、低碳环保，而加工过程中刀具的快速磨损依然制约刀具寿命和切削效率的提高。仿生摩擦学的出现，为刀具减摩技术提出了新的研究方向，仿生摩擦学的相关研究表明：摩擦副表面并不是越光滑摩擦力越小，具有一定微观结构单元的非光滑表面(表面织构)往往具有更小的摩擦阻力。本文将总结表面织构刀具的加工方法以及其切削性能的研究成果。关键字：仿生摩擦学；表面织构；加工方法；研究成果共7页第1页天津理工大学1.引

2、言1.1仿生摩擦学仿生学(Bionics)，是一门综合性的科学。准确来讲，仿生学是将生物学、工程技术和数学等众多学科结合在一起，通过研究和提取生物系统的结构、功能和信息控制等各种优异特征来改善或者创造出新的工程设备、工艺过程、建筑构型等技术系统。仿生机械研究内容包括：基于生物系统的仿生机构、仿生部件和仿生表面等。仿生摩擦学是仿生机械中的重要方面。生物表面的相关知识是摩擦学仿生的基础。生物摩擦学研究生物外表面与环境、生物体内表面之间发生的摩擦学现象。摩擦学仿生研究不同生物表面质构、材料特性及其环境的相互关系，并

3、用所获得的知识指导摩擦学设计。例如：鲨鱼表皮形态及其流体力学效应是非光滑表面减阻的一个良好的例子。基于鲨鱼皮的这种表面形态建立了仿生润滑减阻模型，并将该模型成功应用到了舰艇和飞机的表面涂装中，取得了良好的效果。欧洲空中客车公司采用这种减阻模型对飞机表面进行涂装，通过空中飞行发现，飞机飞行的阻力降低了6-8%。图1.1为鲨鱼皮表面形态和鲨鱼皮泳衣。a）鲨鱼皮上的肋条形态共7页第1页天津理工大学b）第三代仿鲨鱼皮游泳衣结构图1.1鲨鱼皮表皮形态及仿鲨鱼皮泳衣仿生摩擦学是一个新的交叉学科领域，具有仿生学和摩擦学发展

4、的双重特点。仿生摩擦学的目的是制备具有优异摩擦学性能的表面或者零件。根据仿生摩擦学的机理，人们逐渐将其应用于刀具切削方面。因此诞生了表面微织构加工技术，利用带有微织构的刀具进行切削的研究。1.1表面织构表面织构具有以下作用：1）、在干摩擦或边界润滑是可作为储屑槽，减少磨损，延长寿命；2）、表面微坑可作为储油槽，为边界润滑或混合润滑的表面提供润滑；3）、在相互平行的摩擦表面产生动压润滑，减小摩擦系数。物体表面织构的几何参数影响甚至决定着物体表面的摩擦性能。几何参数主要包括表面形状、尺寸大小、间距、剖面形状、凹坑

5、或凸起、深度、面积密度等，常见的几何形状有圆形、矩形、三角形，六边形的凹坑和平行或成网状分布的槽形，在所有参数中，织构尺寸和深度的比值对摩擦性能的影响较大。同时表面织构的分布对摩擦因数也有较大的影响，如采用局部织构可比全面织构提高耐摩擦磨损性能，同时可降低织构成本。2.刀具表面织构的加工技术微织构已被证明是一种改进表面摩擦性能和提高表面承载力的有效措施。随着微织构应用的普及，微造型技术日益成熟起来，包括电火花加工、光刻加工、激光加工等技术，其中激光加工由于操作简单、加工效率高以及不受材料限制等特点得到了广泛的

6、应用。1、电火花加工技术电火花加工是一种利用工具电极与工件电极之间脉冲性火花放电产生的电腐蚀现象来蚀除工件料，以获得一定的加工形状的非接触加工方法。电火花加工方法能够满足用传统机械加工方法难于加工的硬质合金等材料的成型加工，并适用于深孔加工及复杂形状造型。研究人员曾利用微细电火花加工方法在硬质合金刀具上加工微孔阵列，制备了微池自润滑刀具。采用离线制作工具电极的方式制备了直径φ0.1mm的紫铜电极，使用DZW-10微细电火花加工机床在硬质合金刀具前刀面刀-屑接触区或后刀面易磨损带加工出了直径φ0.15mm、深度

7、0.3mm的微孔阵列（图2.1）。共7页第2页天津理工大学图2.1硬质合金刀具电火花加工的微孔形貌Koshy等采用电火花的加工方法在高速钢车刀的前刀面加工了连续面型和凹槽阵列的两种表面织构。加工的两种表面织构示意图如图2.2所示，其中织构凹槽的宽度和深度均约为100μm。图2.2高速钢刀具前刀面的织构形式1、光刻加工技术光刻技术是一种利用照相复制与化学腐蚀相结合，在工件表面制备微细薄层图形的加工方法。该技术多用于半导体元器件及集成电路的制作加工，文献报道最近有研究学者已将光刻技术引入了切削刀具表面织构的制备。

8、Obikawa等利用光刻加工方法在硬质合金刀具前刀面制备了垂直于主切削刃的微凹槽阵列、平行于主切削刃的微凹槽阵列、微方坑阵列及微凸点阵列4种表面织构。该研究首先采用直流磁控溅射的方法在硬质合金刀具基体表面涂覆厚度为0.5~1.2μm的金属镍，利用湿法刻蚀的光刻技术在已涂层刀具前刀面刻蚀出4种特定的织构图案，然后利用等离子化学气相沉积法（PCVD）在织构表面涂覆类金刚石薄膜（DLC）或利用直流磁控溅射