吴锦行，何 林，占 刚，蒋宏婉，吴艳英

(1.贵州大学 机械工程学院，贵阳 550025；2.贵州民族大学 机械电子工程学院,贵阳 550025；3.六盘水师范学院，贵州 六盘水 553004；4.贵州电子信息职业技术学院，贵州 凯里 556000；5.贵州理工学院 机械工程学院，贵阳 550003)

0 引言

金属切削加工过程中，由于刀具与工件的相互作用，将在刀屑接触区域产生高温、高压，不少研究表明，刀屑接触区域的温度分布，对刀具磨损影响关键。而刀具的磨损将引起刀具寿命下降。刀屑接触区域温度场、刀具切削温度的研究一直以来受到广泛关注。

于占江等[1]为了减小切削过程中刀具前刀面摩擦严重的问题，在车刀前刀面，利用激光加工出微槽、微织构，通过切削实验对比结果表明：微槽、微织构刀具能有效降低刀具表面摩擦因数，减小切削力，降低切削温度，有效改善加工工件表面质量。符永宏等[2]利用激光器在YG6X硬质合金刀片上加工凹槽织构。经实验研究，发现适当的凹槽几何参数能够提高刀具的切削性能，凹槽间距越小，凹槽方向与切削流向的夹角越大，切屑与刀具的粘结程度越轻。张高峰等[3]利用金刚石压头划痕法在硬质合金刀具前刀面制备了平行微织构，通过切削实验及测试，表明微织构有助于降低摩擦因数。王霄等[4]在刀-屑接触区域分别建立了库仑摩擦模型和粘结-滑移摩擦模型，粘结-滑移摩擦模型更符合实际的摩擦模型，表明在金属切削过程中，同时在刀屑接触区域存在粘结和滑移摩擦。Tatsuya Sugihara等[5]在刀具前刀面阵列出近似与切削刃平行的微纳织构，发现微纳织构可以提高切屑与刀具的抗粘效果，且对微纳织构进行镜面抛光，会更进一步增加刀具抗粘性和润滑性。本文基于温度场对刀具前刀面进行微槽创新设计，通过粉末冶金工艺压制微坑车刀，通过刀具切削力学模型和接触模型研究其降温机理。

1 微坑刀具结构设计

本文所提供车刀为某工厂提供。切削工件时，刀具的相关角度如表1所示，切削的工件材料为304不锈钢，切削用量为：切削速度为115m/min，切削深度为1.5mm，进给速度为0.15mm/r。通过切削仿真模拟后，根据刀具前刀面温度场云图，高温集中于前刀面切削刃近域。在原车刀前刀面高温集中区域选取合适的温度范围作为微坑造型曲面的点云数据。通过相关软件逆向曲面造型，导入三维软件进行微坑三维设计，设计过程如图1所示。

图1 微坑车刀设计过程

刀具角刀尖角前角后角主偏角刃倾角value(°)808795-5

2 车削力学模型

切削加工过程中，刀具前刀面与切屑发生剧烈的挤压与摩擦，前刀面是工作最为恶劣的区域，形成高温、高压环境。切屑成形是一种复杂的塑性变形过程，工件材料表面发生塑性变形，形成新的加工表面。

图2 切屑受力平衡图

由图形切屑的受力关系，可得：

Fn=Frycosβ

(1)

Ff=Fzsinγ0+Fycosγ0

(2)

Fz=Fn(cosγ0+sinγ0tanβ)

(3)

Fy=Frysin(β-γ0)

(4)

Fs=Fz(cosφ-sinφtan(β-γ0))

(5)

(6)

其中，γ0为刀具前角，φ为剪切前，β为摩擦角，Fz、Fy为主切削力和进给抗力。

3 切削仿真与实验分析

3.1 切削仿真

切削刀具为成都研究所提供的专用刀具，刀体材料为K20硬质合金，刀具涂层TiCN(5μm)。工件和刀具的材料性能参数如表2所示。

表2 工件和刀具的性能参数

(a) 原车刀温度场分布

(b) 微坑车刀温度场分布 图3 前刀面温度分布场

3.2 切削试验

刀具切削试验在型号为C6136HK车床上进行，外接三向测力仪系统Kistler作切削力测试，刀具角度，刀具和工件材料的性能参数与仿真的数据一致。

为了保证试验过程的一致性，原车刀和微坑车刀切削条件保持一致，切削相同的时间，重复采集数据5次，取其算术平均值作为其数据。经过Kistler系统数据采集，原车刀，微坑车刀的平均进给力、切深抗力、主切削力、切削合力分别为：292.30N、112.50N、540.52N、622.53N；219.80N、93.57N、491.24N、546.39N。如图4所示。

图4 原车刀和微坑车刀切削力对比

3.3 刀具磨损对比

切削过程中，刀具受到切屑和工件的挤压和摩擦产生磨损。刀具的磨损会导致切削过程切削力增大，切削温度升高，影响加工工件表面质量，同时刀具磨损直接影响刀具寿命[8]。本论文设计了原车刀和微坑车刀切削过程刀具的磨损试验，对比了相同时间刀具的后刀面磨损情况如表3所示，磨损曲线如图5所示。

图5 原车刀和微坑车刀后刀面磨损曲线

4 结果与讨论

4.1 切削力对比

切削刃近域微坑离切削刃平均距离为0.15mm，由于微坑的置入使切屑与刀具的接触模型发生了变化，切屑所受合力较原车刀以合力作用线为轴心的逆时针转动。微坑使得刀具切削刃变得锋利，摩擦减小，剪切区变形减小[9]，剪切角变大，摩擦角减小。通过切削试验测试，获得微坑车刀和原车刀主切削力Fz，进给抗力Fy的值，代入式(1)～(5)，并依据已知条件，可求出切削合力大小。通过对比，发现微坑车刀主切削力Fz、进给抗力Fy、切削合力Fry均有减小。车削过程中，切除金属材料切削能可用式(7)～式(9)表示。

(7)

(8)

(9)

其中，Vc切削速度，V为切屑速度，Vs剪切速度。a为切削厚度，aw切削宽度，ac切屑厚度。

原车刀和微坑车刀在切削条件相同条件下,由于切削过程，主切削力Fz、切向力Fs、切削摩擦力Ff减小，总输入能Ns、剪切能Nss、摩擦能Nsf均减小，微坑车刀切削能量输入减小。

4.2 刀屑接触的变化

研究表明，刀屑接触界面的摩擦状态主要分为两种：一个是靠近刀尖的内摩擦区，由于此区域存在高温高压，切屑底层发生严重塑性变形与工具前刀面材料发生粘结，称为粘结摩擦区，在此区域内摩擦剪切应力等于工件材料的剪切强度；另外一个是刀屑接触区远离刀尖的外摩擦区，此区域压力和温度较低，因而为滑动摩擦状态,摩擦剪切应力可用库仑摩擦定律计算[10-11]。也就是说，在粘结摩擦区内，摩擦剪切应力恒定；在滑移摩擦区内，摩擦因数恒定。前刀面上的摩擦

剪切应力可由式(10)表示，刀屑接触模型如图6所示。

(a) 原车刀 (b) 微坑车刀 图6 刀屑接触模型

(10)

由式(10)，当距刀尖距离0≤x≤l1时，切屑与刀具接触区域温度达到近1000°C，压力约为3GPa，切屑发生塑性变形，切削过程中切屑与刀具发生冷焊，也即粘结摩擦区。因此，该区域剪切摩擦应力等于工件的剪切屈服强度。当l1≤x≤l2时，切屑与刀具接触为滑动摩擦，符合库伦摩擦定律，此时摩擦力大小为摩擦因数与法向力的乘积，远小于粘结摩擦区的摩擦力。

微坑车刀由于在切削刃近域减小了切屑与刀具的接触面积，缩短了粘结摩擦区的长度，而粘结摩擦区又是刀屑接触区主要热源，产生热量为总热量的近80%。因此，刀屑接触区热量输入减小，温度降低，从图7看出，微坑车刀切削过程中，前刀面最高温度低于微坑车刀，原车刀最高温度712.3C°，微坑车刀最高温度623.3C°，降幅为16%。

从表3也可以看出，微坑车刀相较于原车刀，相同时间内刀具磨损量减小。刀具抗磨性得到一定提高，刀具寿命得到延长。

图7 原车刀和微坑车刀切削温度对比

5 结论

基于温度场在刀具切削刃近域进行微坑结构设计，经切削仿真和实验研究，发现切削过程中，微坑车刀较原车刀切削力、刀具磨损、切削温度均有改善，结合二维切削力学模型，刀具切屑接触界面摩擦模型，微坑构造特点分析，得出结论如下：(1)微坑车刀切削过程，刀屑接触面积减小，切屑变形减小，摩擦力Ff减小，主切削力Fz，进给抗力Fy均减小，切削能，剪切能输入减小。

(2)切削相同时间，微坑刀具磨损减小，刀具抗磨性，耐用度有一定提高。

(3)微坑车刀减小了刀屑接触区中粘结摩擦区的长度，粘结摩擦区为切削主要产热区，因此，减小了切削过程热量的输入使切削温度降低，微坑车刀较原车刀温度降幅为16%。