微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具干切削0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的切削性能

龍遠(yuǎn)強(qiáng)，鄧建新，周后明，易 斌

（湘潭大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湘潭411105）

0 引 言

奧氏體不銹鋼具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和良好的綜合力學(xué)性能，廣泛應(yīng)用于機(jī)械、化工、建筑、醫(yī)療器械等領(lǐng)域［1-2］。但由于奧氏體不銹鋼本身的高塑性、高延展性以及導(dǎo)熱性差等特點(diǎn)，使得其在機(jī)加工過(guò)程中容易出現(xiàn)切削溫度高、切削力大、加工硬化嚴(yán)重等問(wèn)題，是典型的難加工材料［3］。尤其在干切削加工時(shí)，由于缺少切削液的潤(rùn)滑作用，刀具與工件、刀具與切屑之間的摩擦加劇，引起切削溫度驟升、切屑粘結(jié)嚴(yán)重、刀具磨損加劇、工件加工表面質(zhì)量惡化等一系列問(wèn)題。為解決奧氏體不銹鋼的干切削難題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從刀具材料［4］、切削工藝［5］及涂層技術(shù)［6-7］等方面進(jìn)行了相關(guān)研究。

表面微織構(gòu)技術(shù)是在摩擦副表面加工出具有一定尺寸、規(guī)則的幾何形貌（如微槽、微孔等）［8］，相對(duì)于光滑表面而言，合理的微織構(gòu)表面能夠?qū)崿F(xiàn)良好的減摩、降磨以及抗粘結(jié)效果［9-10］。微織構(gòu)刀具能夠減少刀具與工件、刀具與切屑之間的摩擦，提高刀具的切削性能，特別是在加工難切削、易粘刀材料時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。日本學(xué)者Enomoto［11］等利用飛秒激光在WC-Co硬質(zhì)合金銑刀的前刀面上加工出了微槽型納微織構(gòu)，并在織構(gòu)表面涂覆DLC（類金剛石）涂層，然后使用這種表面微織構(gòu)刀具對(duì)鋁合金進(jìn)行切削試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，納微織構(gòu)刀具在干切削和微量潤(rùn)滑條件下都能有效降低切削力，減少鋁切屑與刀具的粘結(jié)；Kawasegi［12］等利用飛秒激光在車刀前刀面制備了表面納微織構(gòu)，該刀具在400m·s-1以上的高速切削條件下的切削力要明顯低于傳統(tǒng)刀具的；Chang［13］等在銑刀前刀面加工出了不同方向的微條織構(gòu)，并進(jìn)行切削試驗(yàn)，結(jié)果表明，合理方向的微織構(gòu)能夠有效減小刀具的磨損；吳澤［14］、戚寶運(yùn)［15］等利用微織構(gòu)刀具對(duì)Ti-6Al-4V鈦合金進(jìn)行切削試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，微織構(gòu)在干切削及微量潤(rùn)滑條件下都能有效減小刀屑間的摩擦，提高鈦合金的切削性能，改善鈦合金切屑粘結(jié)的現(xiàn)象；鄧建新［16-17］等利用飛秒激光在硬質(zhì)合金刀具和陶瓷刀具表面加工的納微織構(gòu)在切削過(guò)程中能有效減小刀具與切屑間的摩擦，使切削力與切削溫度均得以降低。

表面微織構(gòu)技術(shù)與固體潤(rùn)滑劑自潤(rùn)滑技術(shù)的有機(jī)結(jié)合是改善刀具切削潤(rùn)滑性能的新思路，鑒于此，作者針對(duì)0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的難切削特性，結(jié)合刀具切削受力的特點(diǎn)，制備了微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具，并采用這種刀具與微織構(gòu)無(wú)固體潤(rùn)滑刀具、傳統(tǒng)無(wú)織構(gòu)刀具對(duì)奧氏體不銹鋼進(jìn)行切削試驗(yàn)，旨在驗(yàn)證微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具加工奧氏體不銹鋼的良好切削性能。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)以41605N硬質(zhì)合金刀片（株洲鉆石切削刀具有限公司生產(chǎn)）作為基體，其主要成分為WC-6%TiC-6%Co（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同），力學(xué)性能如表1所示。對(duì)41605N硬質(zhì)合金刀具的前刀面進(jìn)行拋光處理，使其表面粗糙度Ra≤0.05μm；然后利用半導(dǎo)體側(cè)面泵浦YAG激光打標(biāo)機(jī)（主要性能參數(shù)如表2所示）在刀具的前刀面上加工出圓弧型微織構(gòu)，制成微織構(gòu)刀具（Surface-textured Tool，簡(jiǎn)稱 ST 刀具）；加工好的微織構(gòu)如圖1（a）所示，微織構(gòu)的寬度約為30μm，深度約為60μm。為降低微織構(gòu)對(duì)刀具強(qiáng)度的影響，圓弧微織構(gòu)距主切削刃約200μm。將加工過(guò)的微織構(gòu)刀具放置在無(wú)水乙醇溶液中利用超聲波清洗兩次，每次30min，清洗加工微織構(gòu)過(guò)程中因燒蝕產(chǎn)生的微粒。在顯微鏡下利用手工涂抹的方法填充固體潤(rùn)滑劑MoS2，制成微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具（Surface-textured Tool with Solid Lubricant，簡(jiǎn)稱STS刀具），如圖1（b）所示。將對(duì)比試驗(yàn)用的傳統(tǒng)硬質(zhì)合金（41605N）刀具簡(jiǎn)稱為CT刀具。

表1 刀具基體的主要力學(xué)性能Tab.1 Main mechanical properties of tool substrate

表2 激光打標(biāo)機(jī)的主要性能參數(shù)Tab.2 Main performance parameters of laser marking machine

圖1 ST刀具和STS刀具的表面形貌Fig.1 Surface morphology of ST tool（a）and STS tool（b）

在普通CA6140型車床上進(jìn)行切削試驗(yàn)，工件材料為0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼，切削方式為連續(xù)干切削，切削刀具分別為STS刀具、ST刀具及CT刀具。對(duì)傳統(tǒng)硬質(zhì)合金刀具的前刀面進(jìn)行同樣的拋光處理，三種刀具的基材和安裝角度均一致。刀具的主要安裝角度：主偏角為45°，前角為-5°，后角為5°，刃傾角為0°。切削條件：切削速度為60～120m·min-1，進(jìn)給量為0.1mm·r-1，切削深度為0.4mm。

使用Kister9257BA型壓電晶體動(dòng)態(tài)測(cè)力儀對(duì)切削力進(jìn)行測(cè)試；使用Fluke Ti32型手持式熱成像儀對(duì)穩(wěn)定切削過(guò)程中的溫度分布進(jìn)行成像，并將成像中的最高溫度作為切削溫度；利用JSM-6610LV型掃描電鏡（SEM）觀察刀具前刀面的磨損形貌；使用手持式數(shù)碼顯微鏡觀察切屑的形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 切削力

由圖2（a）可知，STS刀具與ST刀具在開(kāi)始切削時(shí)的切削力均低于CT刀具的，且填充有固體潤(rùn)滑劑的STS刀具表現(xiàn)出了更低的切削力。STS刀具開(kāi)始切削時(shí)便有大量的固體潤(rùn)滑劑溢出，從而使切削力較小。由圖2（b）可見(jiàn)，切削3min后繼續(xù)切削時(shí)，STS刀具的切削力仍小于CT刀具與ST刀具的，而ST刀具與CT刀具的相差不大。這表明STS刀具在持續(xù)切削過(guò)程中仍具有較小的切削力。

由圖3可見(jiàn)，與CT刀具相比，STS刀具在60～120m·min-1切削速度下穩(wěn)定切削時(shí)的主切削力下降了8%～16%，切削抗力下降了12%～17%，進(jìn)給抗力下降了5%～17%。

圖2 三種刀具在切削速度為120m·min-1時(shí)的主切削力Fig.2 Main cutting force of CT tool，ST tool and STS tool at cutting rate of 120m·min-1：（a）at the begining of cutting and（b）after cutting for 3min

圖3 三種刀具在不同切削速度下穩(wěn)定切削時(shí)的三向切削力Fig.3 Three direction forces of three kinds of cutting tools at different cutting speed as tables：（a）main cutting force；（b）thrust cutting force and（c）feed cutting force

2.2 切削溫度

由圖4可知，STS刀具在120m·min-1切削速度下的最高溫度出現(xiàn)在刀尖處。由圖5可知，在不同的切削速度下，STS刀具的切削溫度明顯低于CT刀具與ST刀具的；與CT刀具相比，STS刀具的切削溫度下降了15%～24%。

2.3 前刀面的磨損形貌

刀具在加工不銹鋼時(shí)前刀面的磨損形式主要為粘著磨損。在120m·min-1的切削速度下切削3min后，CT刀具的前刀面出現(xiàn)了較嚴(yán)重的切屑粘結(jié)，而STS刀具由于固體潤(rùn)滑劑的作用僅出現(xiàn)輕微的粘結(jié)，如圖6所示，CT刀具、ST刀具和STS刀具上 切 屑 粘 結(jié) 的 長(zhǎng) 度 分 別 為 0.782，0.712，0.608mm?？梢?jiàn)，STS刀具的切屑粘結(jié)長(zhǎng)度比CT刀具的約減小了22%，STS刀具的抗粘結(jié)性能明顯優(yōu)于CT刀具與ST刀具的。

圖4 STS刀具在120m·min-1切削速度下的溫度分布Fig.4 Temperature distribution of STS tool at cutting rate of 120m·min-1

圖5 三種刀具在不同切削速度下的切削溫度Fig.5 Cutting temperature of three kinds of tools at different cutting rates

2.4 切屑形貌

由圖7（a）可知，STS刀具切屑的曲卷半徑明顯小于CT刀具切屑的。由圖7（b～c）可見(jiàn)，在相同的切削條件下，STS刀具切屑被剪切的次數(shù)要高于CT刀具切屑的，這表明STS刀具的剪切角大于CT刀具的。此外還可以看出，STS刀具切屑的變形明顯小于CT刀具的。

2.5 討 論

試驗(yàn)結(jié)果表明，在切削0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼時(shí)，與傳統(tǒng)CT刀具相比，STS刀具有更低的切削力及切削溫度，改善了切屑在前刀面的粘結(jié)，減小了切屑的曲卷半徑，表現(xiàn)出了更佳的切削性能。STS刀具切削性能的改善主要?dú)w因于微織構(gòu)與固體潤(rùn)滑劑的雙重作用。由金屬切削理論可知，主切削力Fz可近似表示為：

式中：Ff為切削摩擦力；β為摩擦角；γ0為刀具前角；aw為切削寬度；lf為刀屑接觸長(zhǎng)度；τc為平均剪切應(yīng)力；Ar為切削寬度。

在切削過(guò)程中，切削力與切削熱作用使得MoS2固體潤(rùn)滑劑從微織構(gòu)中擠出，并隨著切屑的移動(dòng)而涂覆在刀具和切屑的接觸面上，形成固體潤(rùn)滑膜，因此使得平均剪切應(yīng)力減小，進(jìn)而使得切削摩擦力減小，從而降低了切削力與切削溫度。此外，微織構(gòu)與固體潤(rùn)滑劑的作用亦使切屑與刀具的接觸長(zhǎng)度減小，剪切角增大，從而增加了切屑的曲卷，有利于切削斷屑。

圖6 三種刀具在120m·min-1切削速度下切削3min后前刀面的SEM形貌Fig.6 SEM morphology of rank face of three kinds of tools after cutting at cutting rate of 120m·min-1 for 3min：（a）CT tool；（b）ST tool and（c）STS tool

圖7 CT刀具和STS刀具在100m·min-1切削速度下切削3min后得到的切屑形貌Fig.7 Morphology of ships obtained by CT tool and STS tool cutting at cutting rate of 100m·min-1for 3min：（a）macrograph；（b）CT tool chip，partial enlarged view and（c）STS tool chip，partial enlarged view

切屑的移動(dòng)方向與微槽織構(gòu)方向近似垂直，如圖8所示，切屑移動(dòng)經(jīng)過(guò)微織構(gòu)時(shí)使刀屑接觸面積減少，進(jìn)而使切屑不能牢固地粘結(jié)在微織構(gòu)區(qū)域，特別是當(dāng)切屑經(jīng)過(guò)填充有固體潤(rùn)滑劑的微織構(gòu)時(shí)，切屑難以粘結(jié)在織構(gòu)后方，如圖8（b）所示。

圖8 ST刀具和STS刀具微織構(gòu)處的切屑形貌Fig.8 Chip adhension micrograph on texture area of ST tool（a）and STS tool（b）

3 結(jié) 論

（1）與傳統(tǒng)刀具相比，微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具的主切削力、切削抗力、進(jìn)給抗力分別降低了8%～16%，12%～17%，5%～17%，同時(shí)切削溫度也降低了15%～24%，明顯提高了0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼的切削性能。

（2）填充固體潤(rùn)滑劑的微織構(gòu)具有良好的抗粘結(jié)性能，微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具能有效改善切削0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼時(shí)的粘刀現(xiàn)象，切屑粘結(jié)長(zhǎng)度約減小了22%。

（3）微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具能增加切屑的曲卷，提高切屑的斷屑能力。

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