高速切削摩擦学研究

中图分类号：ＴＧ５０６．１；ＴＨｌｌ７．１
文献标识码：Ａ
Ｒｅｓｅａｒｃｈ
ｏｎ
Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｃｕｔｔｉｎｇ Ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｇ－ｍｉｎｇ，ＬＩＮ Ｙｏｕ—ｘｉ
ＹＡＮ
（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
ａｎｄ Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ，Ｆｕｚｈｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｆｕｚｈｏｕ ３５０００２，Ｃｈｉｎａ）
・工艺与装备・
文章编号：１００１—２２６５（２０１０）１０—０１０２—０５
组合机床与自动化加工技术
高速切削摩擦学研究
颜聪明，林有希
（福州大学机械工程及自动化学院，福州 ３５０００２）
摘要：高速切削过程中的摩擦直接影响刀具失效（磨损和破损），刀具使用寿命、工件的加工精度以及 已加工表面质量。文章综述了高速切削摩擦学研究进展，重点介绍了高速切削中刀－屑之间和刀－工 之间的摩擦学特性，阐述了刀具前刀面与后刀面的磨损形态和磨损机理，以及高切削过程中的冷却／ 润滑条件和不同的切削环境对刀具和工件的影响。展望了高速切削摩擦学的发展方向。 关键词：高速切削；摩擦；磨损：润滑
切削速度的升高，切削温度增大，刀屑之间产生摩擦
时等效应力的值较小，且已加工表面仍存在一定的 等效残余应力；随着摩擦系数的减小，切屑和工件已 加工表面的塑性变形也逐渐减小。 １．２刀具－工件摩擦 虽然刀工摩擦力相对于刀屑摩擦力而言要小得 多，但是由于刀工摩擦直接作用于已加工表面上，因 此刀工摩擦状态对工件的表面质量和刀工接触区的 温度场分布影响很大。文献［３］比较了２４０ｍｍ／ｍｉｎ 和１０００ｍｍ／ｍｉｎ切削速度下，得到的丁件表面质量。 结果显示，在１０００ｍ／ｍｉｎ的切削速度下，刀具和工件 之间的摩擦产生高温，熔融铁薄层均匀分布在工件 表面，使加工表面更光滑、更均匀。使用２４０ｍ／ｍｉｎ 的切削速度进行切削的时候，由于产生部分熔融，冷 却过程中出现不同程度的收缩而使加工表面出现微 小的空隙。刀工摩擦使刀具的后刀面产生磨损带磨 损，导致刀具间隙角的减小，引起工件已加工表面摩 擦力的增大，从而影响了工件的发热量，导致加工产 品产生残余应力。有学者¨川采用带有磨损带的碳化 钨硬质合金刀具和正常的碳化钨硬质合金刀具进行 高速切削实验，研究磨损带对工件生热的影响。比 较的结果显示，前者刀工接触区的温度大大升高，接 近最高温度的４５％，而后者刀工摩擦产生的热量并 不明显。此外，刀具后刀面磨损后，会在工件的已加 工表面留下明显的拖带。
ａｒｅ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｏｌ ｆａｉｌｕｒｅ（ｗｅａｒ ａｎｄ ｆｒａｃｔｕｒｅ），ｔｏｏｌ ｌｉｆｅ，ｍａｃｈｉｎｉｎｇ ａｃｃｕｒａｃｙ ａｎｄ ｍａｃｈｉｎｅｄ ｓｕｒｆａｃｅ ｑｕａｌｉｔｙ
ｉｎ－
ｆｌｕｅｎｃｅｄ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｂｙ ｔｈｅ ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｍａｃｈｉｎｉｎｇ．Ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｐａｐｅｒ ｒｅｖｉｅｗｓ ｔｈｅ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ ｒｅｓｅａｒｃｈ
Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基金属陶瓷刀具的主要磨损形式是粘结、氧
化和扩散磨损；减小Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）圊溶体中ｃ与Ｎ的比 值可改善Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基金属陶瓷刀具的耐磨性，提高 Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基金属陶瓷刀具抗氧化磨损的能力。靠近
收稿日期：２０１０—０４—３０ ・基金项目：福建省自然科学基金（２００８Ｊ０１５２）
高速切削过程中的摩擦
１．１刀具－切屑摩擦 在传统的低速切削中，摩擦主要发生在刀具后 刀面，在刀具前刀面起作用的主要是库伦摩擦，而在 高速切削过程中，由于切屑沿刀具前刀面的流出速 度、刀屑接触压力和温度大幅提高，使前刀面和切屑 之间的摩擦情况更加复杂，已经不能用传统的库伦 摩擦来解释。不断提高的滑动速度和摩擦应力使刀 具前刀面产生严重磨损。因此，在高速切削中，刀具 磨损速率很大程度上取决于刀屑接触面的摩擦情
强。当切削速度ｖ＞１２０ ｍ／ｍｉｎ时，后刀面磨损量
（ＶＢ值）随着ｖ的增加呈减小趋势＂１。文献［１８］中 使用真空烧结方法研制了不同ｃ与Ｎ比值的Ｔｉ（ｃ，
Ｎ）基金属陶瓷刀片。通过不同切削速度下干式车削
２０ＣｒＭｎ工件的切削实验，研究Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）基金属陶瓷 刀具高速切削时磨损机理。结果表明：高速切削时
．１０３・
万方数据
・工艺与装备・
产生月牙洼磨损后。刀屑接触长度从０．４１ｍｍ增大到 ０．５５ｍｍ。由于刀屑接触长度的增大，使得刀屑间的 摩擦加剧，导致了刀屑接触区的温度上升。 对于ＣＢＮ刀具高速切削Ｐ２０模具钢，其主要磨 损机理是扩散磨损，切削时ＣＢＮ刀具的耐磨性明显 比ＷＣ硬质合金刀具好。在１０００ｍ／ｍｉｎ的切削速度 下，前刀面月牙洼的主要特征是在其表面出现铁元 素迁移层图。铁元素迁移层集中在月牙洼中心附近 温度最高的地方。平滑的迁移层及其涂覆在月牙洼 表面的方式表明工件在切削过程中出现熔融了。月 牙洼上的能谱分析（ＥＤＸ）也显示刀工界面发生熔 化，特别是在月牙洼上熔化更严重。在１０００ｍ／ｍｉｎ 的切削条件下，切削温度非常高（＞１５００。Ｃ），使ＣＢＮ 刀具中的Ｂ和Ｎ溶解扩散到熔融状态的铁层里。这 一熔融状态的铁元素层连同Ｂ和Ｎ随即从刀具材料 上被挤出接触区。而且刀具始终与工件产生的新表 面接触，增强了Ｂ和Ｎ的扩散，加速了前刀面的月牙 洼磨损。有研究¨副表明，刀具前刀面涂层可减缓月 牙洼磨损。如使用金刚石涂层刀具，由于金刚石涂 层刀具硬度高、导热系数小、耐热性好，高速切削时， 在刀屑界面上起到应力屏障、热屏障、化学扩散屏障 等作用，增强刀具表面抗扩散磨损、抗氧化磨损的能 力，所以使用金刚石涂层刀具进行高速切削，开始时 产生不明显的月牙洼，随着涂层的逐渐磨损，月牙洼
１
磨粒等）对被切削物的剪切、挤压、变形等引起的剧 烈摩擦和磨损的过程。高速切削过程中产生的高 温、高压和大变形使得刀具和工具之间的摩擦学特 性与传统的切削过程中的摩擦学特性具有明显的区 别。高速切削摩擦学不仅研究刀具和工件之间的相 对运动和摩擦、刀具磨损和破损，材料的力学特性、 物理特性以及化学特性之间的匹配，同时也研究切 削条件和周围环境条件（如空气，切削液）对摩擦、已 加工表面的影响…。 高速切削过程中的摩擦直接影响刀具失效（磨 损和破损），刀具使用寿命、工件的加工精度以及已 加工表面的完整性。特别是高速切削过程中刀具寿 命的缩短，限制了高速切削的进一步发展和应用。 为了使高速切削在实际加工中得到更广泛的应用，
ｏｎ
ｔｈｅ ｈｉ曲ｓｐｅｅｄ ｃｕｔｔｉｎｇ ｔｒｉｂｏｌｏｇｙ
ａｎｄ ｍａｉｎｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｔｒｉｂｏｌｏｇｉｃａｌ ｂｅｈａｖｉｏｒ ｂｅｔｗｅｅｎ
ｔｏｏｌ－ｃｈｉｐ ａｎｄ ｔｏｏｌ－ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ ｉｎ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｃｕｔｔｉｎｇ，ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ｔｈｅ ｗｅａｒ ｐａｔｔｅｒｎ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｋｅ ａｎｄ ｆｌａｎｋ ｏｆ ｔｏｏｌｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｏｏｌｉｎｇ／ｌｕｂｒｉｃａｎｔ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ａｎｄ ｃｕｔｔｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｉｎ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｃｕｔｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｌｓｏ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｃｕｔｔｉｎｇ；ｆｒｉｃｔｉｏｎ；ｗｅａｒ；ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ
２高速切削过程中刀具的磨损
高速切削，刀具磨损机理和磨损形态与刀具成 分、工件材料、切削环境和切削条件等因素有关。有 研究表明¨２”】，高速切削时，刀具的磨损形态主要是 前刀面月牙洼磨损、后刀面磨损、微崩刃以及边界磨 损等。
２．１前刀面磨损
高速切削中，刀具前刀面的月牙洼磨损主要产 生机理是扩散和氧化。高速切削时，刀具前刀面的 元素发生扩散，破坏了刀具的成分，从而降低了刀具 表面的强度和硬度，改变了刀具材料的机械性能；同 时，高温下的氧化作用产生了（如Ｃｏ，０。、ＣｏＯ和ＴｉＯ： 等）脆性、疏松、低强度的易磨损氧化膜，使前刀面容 易产生严重的月牙洼磨损。最近，有学者¨４１利用弹 道实验装置，研究了硬质合金刀片高速切削低碳钢 （Ｃ：：）过程中前刀面月牙洼磨损及其演化过程。研 究显示，刀具前刀面产生月牙洼磨损后，切屑随着月 牙洼的几何形状紧贴在刀具的前刀面上，月牙洼轮 廓给切屑附加了一定的曲度；相同的切削厚度，刀具
氧化反应，ＴｉＢ：氧化速度加快，氧化产物增多；ＴｉＢ： 的氧化产物ＴｉＯ：可在切屑和刀具前刀面之间起固体 润滑作用，从而减轻刀具与切屑之间的粘着，减小切 削力和前刀面的平均摩擦系数，减轻刀具的磨损，提 高刀具的耐磨性能。 高速切削时，刀屑界面复杂的摩擦情况很难通 过传统的切削实验进行研究，不少学者通过数值模 拟进行研究。Ａｒｒａｚｏｌａ∞１等人使用任意拉格朗日欧拉 （ＡＬＥ）有限元方法，把刀屑界面分成几个区域，重点 研究刀屑界面的摩擦行为。刀屑接触面的摩擦可以 通过刀具前刀面上法向应力和摩擦应力之间的关系 来表示。Ｚｏｒｅｖ¨１将刀具前刀面的接触区分成黏结区 和滑移区两部分，提出黏结——滑移摩擦模型来模 拟刀屑接触面的摩擦情况。Ｗｕ¨１扩展了Ｚｏｒｅｖ摩擦 模型，他们假设黏结区长度和滑移区长度相等，黏结 区的摩擦应力为等效应力的函数，而滑移区的摩擦 应力呈线性减小到零。目前，研究者在ｚｏｒｅｖ模型的 基础上提出了六种不同的摩擦模型来模拟高速切削 过程中前刀面的摩擦情况：（１）常系数摩擦模型（２） 存在两种摩擦系数的模型（３）黏结区常极限剪切应 力与滑动区常库伦摩擦力模型（４）随温度变化的摩 擦系数模型（５）黏结区随温度变化的极限剪切应力 与滑动区常库伦摩擦力模型（６）黏结区常极限剪切 应力与滑动区随温度变化的库伦摩擦力模型一Ｊ。 高速切削加工中，刀具与切屑之间的摩擦系数 对切削过程产生重大影响。文献［１０］通过大型仿真 软件Ｄｅｆｏｒｍ３Ｄ数值模拟了摩擦系数对切削力、残余 应力、等效应力、等效应变和切削温度的影响。结果 显示，切削初始状态，切削力随着切削时间的增加而 不断增大；切削稳定时，切削力随着摩擦系数的增大
况‘２１。