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关于微织构刀具摩擦学行为的研究
摘要：
正如文献中广泛报道的那样，微织构技术通过减少切削力、摩擦力、温度和刀具磨损，以及进一步通过改善刀具-切屑和刀具-工件界面的摩擦学行为，在提高刀具的性能方面具有巨大的潜力。然而，也知道织构对刀具表面的影响强烈取决于织构几何形状和尺寸，并且经常对切割性能产生不利影响，这表明对表面现象的进一步了解需要进一步开发织构切割工具。本文总结了金属切割领域刀具表面织构化的最新进展，并继续描述刀具的织构表面如何影响工件材料的变形场，包括主要和次要剪切带，通过直接原位观察，以了解切割过程中织构表面附近的行为。使用织构刀具的实验结果表明，凹槽耙面对切削力的影响取决于微槽相对于未成形切屑厚度的相对位置。摩擦条件和织构所在的位置决定了表面织构的性能。讨论了界面摩擦与切屑流模式之间的联系，证明了表面织构可以改变切屑流模式，从冗余变形的分段流到更稳定的切割能量的均匀流。
1.介绍
刀具-切屑和刀具-工件界面的摩擦在金属切削操作中起着重要作用，直接影响到切削力、成品表面质量、切屑形貌[1-4]等各种加工特性。因此，许多努力，如表面涂层[5-7]和先进的冷却剂策略[8,9]，已经被用来控制界面摩擦。表面织构化技术作为一种改善切割过程中工具-切屑/工件界面的摩擦学行为的手段，近年来引起了人们的广泛关注。织构表面的想法以前已经在活塞/气缸系统[10]和金属成形工艺[11]中实际应用。大量研究也显示了织构切割工具在各种切割操作中的巨大潜力，表面织构对刀具性能的不同影响已被报道，包括减少切割力[12-15]，抑制工具磨损[14,16-18]，以及降低切屑粘附[19-21]。然而，众所周知的是织构对刀具表面的影响很大程度上依赖于织构几何和尺寸，如凹槽方向、织构图案、尺寸和刀具上的位置，这在文献中广泛报道。更重要的是，不恰当的织构设计会导致不良影响，如刀具磨损[17]、切屑粘附[20,21]、切割力[15]和尖端切割[22]。然而，尽管之前的工作清楚地显示了织构设计的重要性，但没有具体的设计有效织构的指导方针，表面织构的关键参数是根据经验确定的。这可能是因为，通常的开发织构刀具的实验方法，类似于摩擦塑性实验[23]，是研究不同阶段的切割过程的结果，如切割力、刀具磨损、切屑形态，和完成表面质量，并试图重建织构表面附近的行为，因为观察和测量工具和切屑之间的滑动接触现象有相当大的困难。这可能导致关键事件和现象切割过程被忽视了。另一方面，最近使用粒子图像测速(PIV)分析的定量测量可以在高空间和时间分辨率[24-26]下现场观察切割过程变形区的位移场。例如，通过使用这种方法，Yeung等人。最近发现，在“粘胶”金属的切割过程中存在一种不稳定的材料塑性流动模式，涉及大的塑性应变和广泛的材料折叠，这被称为“弯曲流”[27]。这种直接的观察将大大有助于进一步理解使用织构切割工具时在工具-切屑/工件界面上的摩擦学行为。本文通过PIV分析的直接原位观察，描述了刀具上的织构表面如何影响切削过程中的变形场，包括一次和二次剪切区。特别地，我们演示了工具-切屑界面的摩擦条件与织构位置之间的关系，并讨论了织构对金属切割变形过程的影响。
2.背景
2.1.对冷却剂作用的影响
金属切割过程中的工具-切屑界面是一种极端的摩擦学条件。由于严重的机械和热条件，传统的切削流体无法穿透工具-切屑界面，也无法达到最高温度区域，特别是在高速和重型加工[28]中。因此，大多数关于织构刀具的研究都关注这一问题，并考虑了表面织构如何促进工具-切屑/工件界面冷却剂的冷却和润滑效果。例如，工具-切屑界面的表面织构有望作为“润滑剂的微池”。雷等人。[29]通过在工具耙面上制造相对较大规模的微孔，体现了微池效应，实验表明，该微孔有效地作为润滑剂的微池，减少了工具-切屑界面摩擦。在同一时期，杉原等人。[19]和Kawasegi等人。[12]提出了第一个具有“织构表面”的切割刀具的概念，并开发了几种具有激光诱导周期性表面结构(LIPSS)[30,31]的切割刀具。覆盖整个工具耙面的亚微尺度凹槽使其能够在工具-切屑界面上均匀地保留/供应切割液，这为切割性能提供了各种改进，如减少切割/摩擦力，抑制切屑附着力，并增加剪切角。随后，人们广泛报道，各种类型的织构，包括微槽[14,32-35]、微凹[13,21]、微凹[13,36]和各向同性结构[37]，在金属切割过程中具有实现微池效应的潜力。保留的润滑剂并不局限于切削流体，一些研究人员已经表明，表面织构能够保留固体润滑剂[38-44]和空气[45,46]，这在摩擦学上也有利于金属切割。此外，Zhang等。[47]研究了带有微槽耙面的TiAlN涂层切割工具在各种润滑条件下的切割性能，并研究了微织构对切割过程中润滑剂作用的影响。他们的实验结果表明，在连续切割条件下，如果没有补充润滑油，在织构中储存的切割液所产生的润滑效果持续时间不超过几十秒。他们还发现，在洪水冷却剂供应条件下，微槽还可以促进切削液流入工具-切屑界面；也就是说，微织构，特别是微槽，也可以作为“润滑剂的微通道”，促进切削流体进入接触区。我们之前的研究也关注了这一效应，并开发了一种具有微凹槽侧面的立方氮化硼(CBN)切割工具，以抑制切割过程中的侧翼磨损inconel718[48]。对于具有侧面平坦的传统CBN工具，侧翼磨损增加了侧面与成品面之间的接触面积，从而防止切削液穿透接触区域。实验结果表明，与主切削刃正交的微槽成功地作为微通道，促进了刀具磨损区域的切削液供应，与无织构的常规刀具相比，其侧翼磨损减少了30%。廖等。[49]还开发了新型的切割插入件，通过将宏观通道定位在微通道与微通道连接，以提高冷却剂的冷却和润滑效率。因此，刀具磨损和切割力。此外，Fang和Obikawa[50]还研究了增强冷却剂流动的微观织构的功能。工具表面表面织构的这种独特功能是由织构结构内外流速的差异和局部涡流或复杂流动的形成所提供的；也就是说，微织构有望发挥湍流促进剂的作用。他们对冷却剂流动的流体动力学计算分析和切割实验表明，一个微织构的侧面面成功地形成了不完整的漩涡和涡流，从而使侧面磨损的最大宽度减少了约50%。
2.2.对磨损的影响
众所周知，在一定条件下，磨屑耕作在磨损过程和摩擦行为中都起着主要作用，当磨损切屑不断从摩擦界面[51]中去除时，摩擦系数和磨损可以大大降低。苏等。[52]报告说，由光刻和电蚀刻工艺制作的由垫片和空腔组成的图案表面组成的波动表面，能够在滑动过程中连续捕获磨损切屑，从而消除耕作作用，降低摩擦系数。这些早期的工作清楚地表明，表面织构能够在滑动界面上作为“微口袋来捕获磨损切屑”。Bhaduri等人。[53]还通过对织构WC试样和SS316L球的往复滑动试验显示了这种效果，并提出了织构刀具在干燥或最小量润滑(MQL)条件下能够减少工具磨损的潜力。对于我们之前的一些研究，[17,54]集中于织构表面对金属切割中磨损的影响，并开发了带有微槽的切割工具，用于以磨料磨损为主的中碳钢切割。一系列实验表明，微槽成功地作为微袋，捕获了从刀具和工件上脱落的磨损切屑，从而显著提高了刀具的耐磨性。在加工绿色氧化铝陶瓷等粉末状材料时，微袋的作用更加显著，因为机械磨损在刀具磨损[18,55]中更为主导。“可处理磨损切屑的微袋”效果的优点之一是，这种效果可以在干式切割条件下获得，因为微袋效应不需要在工具-切屑界面[17]上使用切削流体。
2.3.织构的几何形状和尺寸
除了上述织构刀具的效果外，有报道称表面织构可以在工具-切屑界面上提供各种效果，如减少接触面积[12,17,47,56]，促进/防止切屑粘附[21,22,57]。同时，人们普遍认为，所有这些影响都强烈地依赖于织构的几何形状和尺寸，而在切割工具上应用不加选择的表面织构会对切割性能产生不利影响。不良影响的一个典型例子是沟槽织构的槽方向；许多研究人员已经表明，槽方向应该通过考虑切屑/工件流动来确定的复数形式与切屑/工件流动方向垂直的凹槽可以防止切屑/工件穿透织构，从而增强微池和微口袋的效果，减少接触面积。因此，在大多数情况下，与切屑/工件流动方向正交的凹槽在切削力[12,14,15]、切屑粘附力[19–21]和刀具磨损方面表现出更好的切削性能[14,16-18]。然而，由于平行于切屑/工件流动方向的凹槽促进了切屑/工件渗透到织构中，这种织构往往会导致刀具磨损[17]、切削力[15]和切削边缘切割[22]的增加。此外，大量研究表明，其他因素，包括织构特征尺寸[17,58]、从切边到织构区域[32,37]的距离以及织构[59,60]的截面轮廓，也是决定刀具表面织构性能的关键参数。近年来，有限元(FE)建模已被用于设计刀具表面的有效表面织构[59,61]。然而，金属切割的有限元模拟依赖于大量的假设和经验估计参数，如工具切屑界面的摩擦应力分布，这可能会导致错误的结果，特别是在考虑工具切屑界面的摩擦学行为时。因此，本研究所考虑的对织构区域附近的工件材料流动的现场观察，将为金属切割操作中的表面现象提供完整的见解和进一步的理解。
3.实验过程
采用纯铝（Al-1100）的切割，在严重的摩擦条件下形成了较大的工片接触面积，作为模型系统，研究了织构刀具切割的摩擦学行为。工件在退火状态（硬度：23HV）下制备，通过在550炉中加热◦C4小时。随后将其通过熔炉冷却到室温，避免了工件初始应变条件的任何影响。一种线性切割结构，即所谓的“成形”，被用来分析二维切割过程中的切屑形成力学。图1为实验设置。如图所示。1(a)和(b)，一个厚的透明玻璃块（使用钳钳）夹在工件的侧面，以防止平面外流动，确保观察表面的普通应变条件。实验在恒定的切割速度V下进行0=2.0mm/s，具有未变形的切屑厚度h0=15–75mu;m.异丙醇在铝切割[62]中具有良好的润滑性，在本研究中作为润滑剂，使用注射器在润滑条件下供应到切割点，使切割点充满润滑剂。切割力的水平和垂直分量，FH和FV，分别见图。1(b))，使用压电测功计(Kistler9272，固有频率~2kHz)测量。请注意，在测量切割力时消除了玻璃约束，以消除工具和玻璃之间摩擦的任何影响。在hellip;hellip;期间使用高速摄像机(Photron，WX-100)与长工作距离显微镜物镜结合，在现场记录了变形区附近的材料流动，包括主剪切带和次级剪切带。图像以每秒500帧的速度拍摄，空间分辨率为1。每像素4mu;m。利用粒子图像测速(PIV)的数字图像相关技术对图像序列进行分析，得到定量的切屑流，如流线模式、有效(vonMises)应变速率场和速度分布[63]。所选刀具由WC-Co合金(无涂层，ISON10,95vol%WC和5vol%Co，WC晶粒尺寸~1。0mu;m)，其切边宽度为2。3毫米，边缘半径lt;5mu;m，耙角alpha;=10◦.在本研究中，我们选择了一个平行于主切削边缘（与切屑流动方向正交）的单一线性微槽作为表面织构，以简化织构表面附近的材料行为。如图所示。2，一个宽度为100mu;m(W)，深度为50mu;m(D)的微槽，距离主前沿(E)100mu;m，使用基于Yb：KGW的超短脉冲激光系统(L。P.S工程公司。有限公司，PiCooLs4；中心波长=515nm，脉冲宽=190fs，重复频率=400kHz)。在本研究中，通过改变未变形的切屑厚度(h0).用润滑剂切割后，没有表面织构的普通刀具的光学显微镜图像0=30mu;m如图所示。3(a).这说明了工具切屑的接触区域和粘附/滑动区域。图3(b)总结了每个区域相对于未成形切屑厚度的接触区域的长度。此图还显示了凹槽区域的相对位置。请注意，接触区域和每个区域都是通过工具耙面上的划痕和切屑粘连来近似估计的。如图所示。3(b)，凹槽区域的摩擦条件的变化取决于未成形的切屑厚度(h0).例如，整个微凹槽区域都在h处的粘附区域0=为50mu;m，而粘附区仅占h处凹槽面积的不到30%0=30mu;m.
4.结果
4.1.表面织构对切削力的影响
图4表示摩擦力FF（沿工具耙面的力分量）和法向力FN（垂直工具倾斜面的力分量）为h0=30mu;m在润滑条件下，由测功机测量的FH和FV分别用于普通刀具和织构刀具。如图所示，在工具耙面上形成的微槽明显降低了摩擦力。4(a))，但在法向力上几乎没有差异(图。4(b))在此切割配置下。图5表示受力比，eta;F和eta;N，与织构刀具的最大摩擦/法向力的函数未变形的切屑厚度为h0.每种情况下重复测量力5次，并根据实验持续时间(18s)的平均最大力计算出力比值。误差条表示标准偏差。这个正常的摩擦力比和摩擦力比清楚地表明了其影响切削力上的表面织构根据未变形的切屑厚度h而有所不同0，并进一步说明了未成形的切屑厚度可以分为三个不同的微槽对切割力的影响区域。与微凹槽所在的位置相比，区域I对应的是一个相对较小的未成形切屑厚度，而且只有摩擦力比(eta;F)在该地区有适度的减少。另一方面，区域II对应于中间未变形切屑厚度，摩擦和正向力均显著减少比率(eta;F和eta;N)，在这个区域就得到了。区域III对应于较大的未变形切屑厚度，其中为eta;F,eta;Ncong;1;i.e.,微凹槽对切削力没有任何影响。
4.2.区域I：未变形切屑厚度的影响
在区域I，工具耙面的微槽区域大部分是在滑动区域形成的(见图。3).在这个区域内，工具耙面上的微槽减少了30-40%的摩擦力，而法向力不受织构的影响。图6显示了用普通工具退火的Al1100切割过程中变形区的材料流动。6(a))和织构工具(图。6(b))，在润滑条件下。条纹线和vonMises（有效）应变率场为h0=30mu;m分别显示在左边和右边。作为具有光滑的条纹和变形仅局限于剪切面，这是典型的层流型切屑流[1,64]。然而，由于工具和切屑之间的界面摩擦的减少，微槽显著增加了剪切角。图7表示在垂直方向上的速度分布(VZ)，来自P
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