第 4 期戚宝运, 等 : 微织构刀具正交切削 Ti6Al4V 的试验研究 347 刀工表面状态减摩带来了新的研究方向, 也提供了理论依据. 通过表面织构结合微量润滑技术, 在刀具加工时发生摩擦的区域, 加工出微织构结构, 主要包括凸包状凹坑状沟槽状鳞片状等, 从而更有利于润滑介质的渗入储

Size: px

Start display at page:

Download "第 4 期戚宝运, 等 : 微织构刀具正交切削 Ti6Al4V 的试验研究 347 刀工表面状态减摩带来了新的研究方向, 也提供了理论依据. 通过表面织构结合微量润滑技术, 在刀具加工时发生摩擦的区域, 加工出微织构结构, 主要包括凸包状凹坑状沟槽状鳞片状等, 从而更有利于润滑介质的渗入储"

日潘
5 years ago
Views:

1 第 31 卷第 4 期摩擦学学报 Vol31 No 年 7 月 Tribology July,2011 微织构刀具正交切削 Ti6Al4V 的试验研究戚宝运, 李亮, 何宁, 赵威, 王震 ( 南京航空航天大学机电学院, 南京 ) 摘要 : 仿生摩擦学的出现, 为刀具减摩技术提出了新的研究方向, 通过钛合金的正交切削试验研究了表面微织构刀具在微量润滑和无润滑剂条件下的减摩性能. 结果表明 : 表面微沟槽在润滑剂条件下可以有效地改善刀屑之间的摩擦, 降低切削力与切削温度, 同时表面微沟槽还可以改善钛合金的粘结现象 ; 在无润滑剂条件下, 微沟槽依然具有一定的润滑作用. 关键词 : 微织构 ; 微量润滑 ; 减摩 ; 正交切削 ;Ti6Al4V 中图分类号 :TG506 文献标志码 :A 文章编号 : (2011) ExperimentalStudyonOrthogonalCutingofTi6Al4V withmicro-texturedtool QIBao-yun,LILiang,HENing,ZHAOWei,WANGZhen (ColegeofMechanicalandElectricalEnginering, NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China) Abstract:Theappearanceanddevelopmentofbiomimeticsintribologybringsanew researchdirectionforantifriction technologyoftool.theorthogonalexperimentsofthecutingperformanceofmicro-texturedcutingtoolinmachining titaniumaloywaspresented.micro-groovesweremadeusinglaserontherakefaceofuncoatedtungstencarbidecuting inserts.minimalquantitylubricant(mql)andcryogenicminimalquantitylubricant(cmql)wereused.threecuting forcecomponentsweremeasuredandcompared.tool-chipcontactlengthandwornsurfaceswereexaminedusingscanning electronmicroscopy(sem).itwasfoundthatunderthelubricatedconditionthesurfacemicro-groovescouldefectively improvethefrictionstatusbetweenthetoolandchip,therebyreducingcutingforceandcutingtemperature.thesurface micro-groovescouldalsoimprovetheadhesionoftitanium aloy.withoutlubricant,micro-groovesstilhadacertain lubrication efect. Keywords:micro-texture,MQL,antifriction,orthogonalcuting,Ti6Al4V 加工区的剧烈摩擦与高的切削温度是导致难加工材料高速加工时刀具快速磨损的主要原因 [1]. 随着先进制造技术的发展, 微量润滑技术已经在难加工材料的高速加工中得到了广泛的应用, 并取得了一定的成果 [2-4]. 但随着速度的提高, 微量润滑形成的润滑膜在高温下易分解破坏而逐渐失去润滑作用, 效果越来越不明显. 如何形成稳定的润滑膜对改善加工区摩擦状态抑制刀具快速磨损有重要作用. 摩擦学和仿生学相关研究和实践表明, 表面并非越光滑则越耐磨, 具有一定非光滑形态的表面反而往往具有更好的抗磨性能 [5-10]. 高性能的表面织构可以实现良好的减摩抗黏附和提高耐磨性, 这给 Received5November2010,revised19January2011,accepted15March2011,availableonline28July2011. Corespondingauthor.qibaoyun@nuaa.edu.cn, TheprojectwassupportedbytheNationalNaturalScienceFoundationofChina( , ). 国家自然科学基金项目 ( , ) 资助

第 4 期戚宝运, 等 : 微织构刀具正交切削 Ti6Al4V 的试验研究 347 刀工表面状态减摩带来了新的研究方向, 也提供了理论依据. 通过表面织构结合微量润滑技术, 在刀具加工时发生摩擦的区域, 加工出微织构结构, 主要包括凸包状凹坑状沟槽状鳞片状等, 从而更有利于润滑介质的渗入储存成膜, 实现更好的减摩作用, 抑制工件材料粘刀现象, 减缓刀具磨损, 延长刀具耐用度.

日本大阪大学工程研究所利用飞秒激光在铣刀表面加工了微米和纳米相结合的沟槽织构, 研究了织构的抗粘结与润滑性能, 并提出一种新 [13] 型微 / 纳米表面织构刀具.

2 第 4 期戚宝运, 等 : 微织构刀具正交切削 Ti6Al4V 的试验研究 347 刀工表面状态减摩带来了新的研究方向, 也提供了理论依据. 通过表面织构结合微量润滑技术, 在刀具加工时发生摩擦的区域, 加工出微织构结构, 主要包括凸包状凹坑状沟槽状鳞片状等, 从而更有利于润滑介质的渗入储存成膜, 实现更好的减摩作用, 抑制工件材料粘刀现象, 减缓刀具磨损, 延长刀具耐用度. 关于微织构在刀具上的应用研究, 国内尚没有报道, 国外的一些大学和研究所也处于起步阶段. 日本 [11] 富山大学和富山工业技术中心利用飞秒激光在刀具前刀面加工了微米和纳米沟槽织构, 并应用微量润滑技术 (MQL) 对铝合金进行了车削加工, 试验结果表明织构可以有效地降低切削力, 同时发现沟槽的延伸方向对切削性能有较大影响, 垂直切屑流出方向的织 [12] 构效果更佳. 日本大阪大学工程研究所利用飞秒激光在铣刀表面加工了微米和纳米相结合的沟槽织构, 研究了织构的抗粘结与润滑性能, 并提出一种新 [13] 型微 / 纳米表面织构刀具. 美国卡萨斯州大学利用有限元对微坑刀具进行了力学分析, 结果表明微坑的置入并未影响刀具的机械强度, 并通过与传统刀具的对比切削试验发现, 微坑刀具可以有效地降低切削力 10% ~30%, 此外, 切屑形态也由连续状变成了卷曲状, 减小了刀屑接触长度. 本文利用激光打标机在无涂层硬质合金刀具前刀面制作了微沟槽阵列, 针对钛合金材料, 通过正交切削试验研究了表面微沟槽对前刀面润滑与抗粘结的影响, 对进一步研究表面织构刀具奠定一定的试验基础. 1 试验方案 1.1 微织构刀具无涂层钨钴类硬质合金 YG8 作为试验研究对象, 利用激光打标机在刀具前刀面进行表面织构制作, 本次试验主要研究微沟槽阵列织构的影响. 由于钛合金车削时刀屑接触长度较短, 微沟槽的槽宽深度以及间距等参数对表面织构发挥减摩效果有着重要影响. 试验选用的微沟槽宽 27μm, 深度 12μm, 间距 100μm, 形貌与分布如图 1 所示. Fig.1Surfacemorphologyofmicro-groovetool 图 1 刀具表面微沟槽形貌 1.2 试验条件正交切削试验在 CA6140 车床上进行, 采用端面车削方式, 图 2 为正交切削试验示意图. 试验材料 Fig.2 Schematicilustrationoforthogonalcutingtest 图 2 正交切削试验原理图为 Ti6Al4V, 主要成份为 90%Ti+6%Al+4%V, 工件外径 42mm, 壁厚 2mm. 采用自制的专用刀夹进行切削试验,YG8 刀片安装到刀杆后的前角 γ 0 为 0, 后角 α 0 为 11, 刃倾角 λ 为 0. 刀屑接触长度对表面微沟槽发挥减摩效果有着重要影响, 而进给量对刀屑接触长度影响较大, 因此, 本文主要考察进给量对刀具切削性能的影响. 切削参数 : 切削速度 V 为 90m/min, 进给量 f 为 0.10,0.15 和 0.20mm/r. 润滑介质 : 微量润滑 (MQL) 和低温微量润滑 (CMQL). 微量润滑装置采用 Vogel 公司生产的 VE1B, 压缩空气供气压力 0.5MPa, 微量润滑的温度为室温 20, 低温微量润滑的温度为 -20. 润滑油为巴索公司生产的 VascomilMMSFA1, 用量 30mL/h, 喷嘴置于刀具前刀面, 与刀刃的距离为 15mm. 每次试验进给长度为 10mm.

3 348 摩擦学学报第 31 卷 1.3 试验方法本文通过正交切削钛合金的切削力切削温度试验, 深入分析在不同润滑介质下刀具表面微沟槽对切削钛合金时刀屑接触区摩擦状况的影响. 试验采用 Kistler9265B 动态测力仪测量切削力 ; 利用自然热电偶方法测量切削温度. 由于切削过程中产生的热量使刀具表面温度升高, 从而使得刀具冷端温度和工件冷端温度不相同, 本文采用红外测温仪测量刀具表面温度, 根据工件刀具导线之间的热电特性曲线对切削温度进行补偿. 切削温度计算公式 : T= 1 b WT E 1 + b bw b WT (T tool -T 0 )+T tool (1) b WT 为工件与刀具的热电曲线斜率,b bw 为导线与工件热电曲线斜率,T tool 为刀具冷端温度,T 0 为工件冷端温度, 一般为室温. 试验后利用 JSM-5610LV 型扫描电子显微镜 (SEM) 观察刀具磨损表面微观特征, 分析微织构刀具的减摩抗粘结机理. 2 结果与分析 2.1 切削力在忽略切屑的惯性力刃口合力以及刀具后刀面与已加工表面作用力的理想条件下, 正交切削时所测量的主切削力 F z 及进给抗力 F y 可转化为前刀面上的正压力 F n 及摩擦力 F f, 由于刀具前角为 0, 故 F n =F z,f f =F y, 从而求得刀屑接触区的平均摩擦系数 μ(μ=f f /F n ). 图 3 为微织构与无织构刀具在不同润滑条件下所获得的前刀面摩擦力 F f 正压力 F n 以及平均摩擦系数. 从图 3 可以看出 : 摩擦力 F f 与正压力 F n 随着进给量的增大而增大, 相对正应力, 摩擦力变化程度较小. 因此, 刀屑之间的平均摩擦系数随着进给量的增大而减小. 在 MQL 条件下, 微织构刀具前刀面的正压力与为无织构刀具较为接近, 但微织构刀具的摩擦力较小, 从而有效地降低了前刀面的平均摩擦系数. 同时发现, 进给量为 0.15mm/r 时, 微织构的减摩效果最好. 分析原因认为 : 进给量较小时, 刀屑接触长度较短, 刀具表面织构与切屑接触较少, 尚无法发挥最佳效果, 随着进给量的增大, 接触长度随之增大, 发挥作用的织构更多, 减摩效果更好. 但内摩擦区的沟槽将会被粘结材料填覆, 外摩擦区的沟槽由于润滑油可以有效地进入从而起到了更有效地润滑作用, 两者之间必定存在 1 个最优的接触长度, 故随着进给量的继续增大, 织构的减摩效果有所下降. 因此, 表面织构发挥最佳效果不仅与织构本身有关, 还与刀屑接触长度有重要关系. Fig.3 Thecutingforceandaveragefriction coeficientwithlubricant 图 3 润滑剂条件下表面微沟槽对切削力与平均摩擦系数的影响相对于 MQL 条件, 微织构在 CMQL 条件下的减摩效果更加明显, 摩擦力大幅降低. 降温冷却会使得钛合金的强度和硬度上升, 剪切屈服强度增大, 因此摩擦力的降低主要是 CMQL 的润滑作用. 润滑油在低温条件下黏度较大, 从而增大了润滑膜的承载能力, 在降低切削温度的同时有效地保证了润滑油作用的发挥. 因此, 润滑油特性对表面织构的减摩效果同样具有重要作用. 2.2 切削温度图 4 为微织构刀具与无织构刀具的切削温度对比. 从图 4 中可以看出 : 随着进给量的增大, 切削温度有所增大, 相对于无织构刀具, 在 MQL 和 CMQL Fig.4 Thecutingtemperaturewithlubricant 图 4 润滑剂条件下表面微沟槽对切削温度的影响

第 4 期戚宝运, 等 : 微织构刀具正交切削 Ti6Al4V 的试验研究 349 条件下, 微织构刀具的切削温度分别降低了 5% ~ 7% 9% ~12%.

由此可见, 表面微沟槽结合微量润滑油可以有效地降低切削温度. 2.3 表面织构抗粘结机理图 5 所示为 MQL 条件下无织构刀具与微织构刀具前刀面磨损表面形貌照片.

相对于无织构刀具, 表面微沟槽的置入有效地减少了粘结物. 无织构刀具在近切削刃 ( 内摩擦区 ) 处由于压力及温度均相对较高, 故粘结严重, 在切屑流出边缘处粘结物也较多.

原因可能是微沟槽的置入在一定程度上改变了切屑流动方向, 而在靠近切屑流出边缘的沟槽, 粘结物尚未填满沟槽, 从图 5(d~f) 中可以清晰地看到沟槽内部以及与切屑之间的缝隙.

通过对微沟槽粘结现象的分析, 表面微沟槽的 (a)non-texturedtool,45 (b)non-texturedtool,200 (c)non-texturedtool,600

5 WornsurfacemorphologyofthetoolsunderMQLcondition 图 5 MQL 条件下的刀具表面磨损形貌粘结过程总结如图 6 所示.

4 第 4 期戚宝运, 等 : 微织构刀具正交切削 Ti6Al4V 的试验研究 349 条件下, 微织构刀具的切削温度分别降低了 5% ~ 7% 9% ~12%. 表面微沟槽的置入减小了刀屑之间的实际接触面积, 同时, 润滑效果的提高降低了摩擦热的产生, 此外, 相对于光滑表面, 微沟槽还可以存储更多的润滑油, 由润滑油带走更多的热量. 由此可见, 表面微沟槽结合微量润滑油可以有效地降低切削温度. 2.3 表面织构抗粘结机理图 5 所示为 MQL 条件下无织构刀具与微织构刀具前刀面磨损表面形貌照片. 通过对比, 微织构刀具的接触长度比无织构刀具略有减小, 由于微沟槽的存在, 实际刀屑接触面积却大大减少. 在降低摩擦力的同时也减少了摩擦热的产生. 因此微沟槽的置入对刀具有着重要影响. 相对于无织构刀具, 表面微沟槽的置入有效地减少了粘结物. 无织构刀具在近切削刃 ( 内摩擦区 ) 处由于压力及温度均相对较高, 故粘结严重, 在切屑流出边缘处粘结物也较多. 而微织构刀具在近切削刃区域仅沟槽内部被粘结物所覆盖, 但沟槽外部边缘附近粘结较少. 原因可能是微沟槽的置入在一定程度上改变了切屑流动方向, 而在靠近切屑流出边缘的沟槽, 粘结物尚未填满沟槽, 从图 5(d~f) 中可以清晰地看到沟槽内部以及与切屑之间的缝隙. 相对于无织构刀具表面粘结层峦叠嶂 [ 图 5(a~ c)], 微织构刀具表面粘结相对较轻. 通过对微沟槽粘结现象的分析, 表面微沟槽的 (a)non-texturedtool,45 (b)non-texturedtool,200 (c)non-texturedtool,600 (d)micro-groovetool,45 (e)micro-groovetool,200 (f)micro-groovetool,600 Fig.5 WornsurfacemorphologyofthetoolsunderMQLcondition 图 5 MQL 条件下的刀具表面磨损形貌粘结过程总结如图 6 所示. 沟槽粘结初期, 切屑流经沟槽, 底面材料被沟槽边缘阻挡而残留在沟槽内. 切屑在流经沟槽时流向发生了改变, 材料向沟槽内流动, 流出沟槽时在沟槽边缘处开始产生粘结. 从粘结物与沟槽之间的缝隙可以看出 : 切屑并非与沟槽完全贴合, 原因可能是切削流动速度较快, 在短时间内切屑流向发生轻微改变, 本文沟槽的深度为 12μm, 可见切削流向变化甚微. 随着切削时间的增加, 粘结物逐渐堆积并填满沟槽, 此后切屑从沟槽中填满的粘结物表面滑过, 最后逐渐覆盖沟槽. 2.4 讨论与分析微沟槽结合微量润滑可以有效地降低切削力, 减小刀屑之间的摩擦系数, 这和表面微沟槽的润滑作用密切相关. 但是润滑效果如何发挥的呢? 作者认为有以下 2 个原因 : 第一, 刀屑之间直接接触面积由于微沟槽的置入而减少. 本文试验采用的沟槽面积占有率为刀屑接触面积的 30% 左右, 因此, 刀具与切屑之间直接接触面积较小, 摩擦力也较小 ; 其次, 相对于光滑表面, 微沟槽表面可以吸附并存储更多的润滑油, 在刀屑之间形成润滑膜, 在一定程度上

350 摩擦学学报第 31 卷 Fig.6 Theadhesionprocesofmicro-groove 图 6 表面微沟槽的粘附过程再次减小了刀屑之间的直接接触面积. 可见, 微沟槽的置入可以大大减少刀屑实际接触面积, 从而有效地降低刀屑之间的摩擦. 同时, 远离切削刃的地方润滑效果更加明显, 这和刀屑之间的接触压力有关.

5 350 摩擦学学报第 31 卷 Fig.6 Theadhesionprocesofmicro-groove 图 6 表面微沟槽的粘附过程再次减小了刀屑之间的直接接触面积. 可见, 微沟槽的置入可以大大减少刀屑实际接触面积, 从而有效地降低刀屑之间的摩擦. 同时, 远离切削刃的地方润滑效果更加明显, 这和刀屑之间的接触压力有关. 远离切削刃的地方属于外摩擦区, 压应力较小, 而在靠近切削刃的内摩擦区, 由于高的压应力而使得沟槽被钛合金材料所填覆. 尽管如此, 沟槽依然具有较好的减摩效果, 这是由于相较于硬质合金, 钛合金材料的线膨胀系数较大 ( 钛合金和硬质合金的线膨胀系数分别为和 / ), 因此, 沟槽中的钛合金材料在高的切削温度下受热膨胀而凸出硬质合金表面, 由于软相钛合金塑性高, 从而起到很好的减摩作用, 这就是软相承载机理 [14]. 为了证明微沟槽本身的作用, 在干切削条件下进行了同样的正交切削试验, 图 7 图 8 分别为干切削条件时微织构刀具与无织构刀具的切削力与切屑温度的对比. 在无润滑剂条件时, 微沟槽依然具有一定的润滑作用. 微沟槽减摩效果的主要原因和刀屑实际接触面积具有直接关系. 同时, 在无润滑剂条件下, 微织构刀具的切削温度也相对较低. 切削温度的降低一方面和微沟槽的润滑作用有关, 另一方面, 微沟槽的置入在一定程度上增大了刀具的热传导面积, 在降低刀具表面的热集中的同时可以加快热量传递, 而刀屑接触区之外的微沟槽可以增大刀具表面与空气的对流换热面积, 使热量能够更快地向外散失, 如图 9 所示. 可见表面微沟槽不仅在减摩 Fig.7 Thecutingforceandaveragefrictioncoeficient withoutlubricant 图 7 干切削条件下表面微沟槽对切削力和平均摩擦系数的影响 Fig.8 Thecutingtemperaturewithoutlubricant 图 8 干切削条件下表面微沟槽对切削温度的影响

6 第 4 期戚宝运, 等 : 微织构刀具正交切削 Ti6Al4V 的试验研究 351 Fig.9 TheheattransferofsurfaceMicro-groovetool 图 9 表面微织构刀具的热传递方面具有较好的效果, 同时还可以改善刀具的换热能力, 因此, 在刀具表面置入微织构对提高刀具的耐磨性具有重要影响. 3 结论 a. 表面微沟槽结合微量润滑可以减少刀屑实际接触面积, 改善刀屑之间的摩擦状况, 降低切削力和切削温度, 在低温微量润滑条件下效果更加明显. b. 在微量润滑条件下, 表面微沟槽的置入可以有效地改善钛合金的粘结现象. c. 表面微沟槽在无润滑剂条件下同样具有一定的润滑作用. d. 在刀具表面置入微沟槽可以改善刀具的换热能力, 提高刀具的耐磨性. 参考文献 : [1] AiX. High- speed machining technology[m]. Beijing: NationalDefenceIndustryPres,2004(inChinese)[ 艾兴. 高速切削加工技术 [M]. 北京 : 国防工业出版社,2004]. [2] Byrne G, Dornfeld D, Denkena B. Advancing cuting technology[j]. CIRP Annals-ManufacturingTechnology, 2003,52(2): [3] WeinertK,InasakiI,SutherlandJW,etal.DryMachining and minimum quantity lubrication[j]. CIRP Annals - ManufacturingTechnology,2004,53(2): [4] SuY. Developmentofnew cryogenicmql equipmentand researchonthecryogenichighspeedcutingofdificult-to- machine materials[d]. Nanjing: Nanjing University of AeronauticsandAstronautics,2007(inChinese)[ 苏宇. 新型低温 MQL 装置的研制与难加工材料低温高速切削机理研究 [D]. 南京 : 南京航空航天大学,2007]. [5] RenL Q,YangZ J,HangZ W.Non-smoothwearable surfacesoflivingcreaturesandtheirbionicapplication[j]. TransactionsofChineseSocietyandforAgriculturalMachinery, 2005,36(07): (inChinese)[ 任露泉, 杨卓娟, 韩志武. 生物非光滑耐磨表面仿生应用研究展望 [J]. 农业机械学报,2005,36(07): ]. [6] WangJD,ChenD R,KongX M.Studyonlubricationof regularconcavesurface[j].tribology,2003,23(l):52-55 (inchinese)[ 汪家道, 陈大融, 孔宪梅. 规则凹坑表面形貌润滑研究 [J]. 摩擦学学报,2003,23(l):52-55]. [7] RonenA,EtsionI,KligermanY.Friction-reducingsurface- texturinginreciprocatingautomotivecomponent[j].tribtrans, 2001,44(3): [8] PetersonU, Jacobson S. Influence ofsurface texture on boundary lubricated sliding contacts [J]. Tribology International,2003,36: [9] HanZW,RenLQ,LiuZB.Investigationonanti-wear abilityofbionicnonsmoothsurfacesmadebylasertexturing [J].Tribology,2004,24(4):289-29(inChinese)[ 韩志武, 任露泉, 刘祖斌. 激光织构仿生非光滑表面抗磨性能研究 [J]. 摩擦学学报,2004,24(4): ]. [10] HanZL,WangJD,ChenDR.Dragreductionbydimpleson surfacesinplane-planecontactlubrication[j].tribology, 2009,29(1):10-16(inChinese)[ 韩中领, 汪家道, 陈大融. 凹坑表面形貌在面接触润滑状态下的减阻研究 [J]. 摩擦学学报,2009,29(1):10-16]. [11] KawasegiN,SugimoriH,MorimotoH,etal.Developmentof cutingtoolswithmicroscaleandnanoscaletexturestoimprove frictionalbehavior[j].precisionengineering,2009,33(3): [12] SugiharaT,EnomotoT.Developmentofacutingtoolwitha nano/micro-texturedsurface-improvementofanti-adhesive efectby considering the texture paterns[j]. Precision Engineering,2009,33(4): [13] LeiST, DevarajanS, ChangZ H. A studyofmicropool lubricatedcutingtoolinmachiningofmildsteel[j].journalof MaterialsProcesingTechnology,2009,209(3): [14] WenS Z. Principlesoftribology[M]. Beijing: Tsinghua UniversityPres,1990(inChinese)[ 温诗铸. 摩擦学原理 [M]. 北京 : 清华大学出版社,1990].

标题

2 0 1 2 年 7 月农业机械学报第 43 卷第 7 期 DOI:10. 6041 / j. issn. 1000 鄄 1298. 2012. 07. 042 * 椭圆状微织构自润滑车刀切削性能试验吴泽邓建新邢佑强程洁赵军 ( 山东大学机械工程学院, 济南 250061) 揖摘要铱采用激光加工方法在硬质合金刀具前刀面易磨损区域加工椭圆状微织构, 并在微织构中填充 MS 2 固体润滑剂, 制备了微织构自润滑刀具