自潤(rùn)滑刀具的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)分析
在金屬切削加工過(guò)程中，刀具的前、后刀面不斷與切屑和工件接觸，并發(fā)生劇烈摩擦，接觸區(qū)處于高溫、高壓狀態(tài)。發(fā)生在刀具上的摩擦與磨損會(huì)造成刀具鈍化失效，使切削無(wú)法進(jìn)行；發(fā)生在工件上的劇烈摩擦則會(huì)使加工表面質(zhì)量惡化[1]。現(xiàn)代切削加工都采用在切削加工過(guò)程中使用切削液來(lái)降低加工過(guò)程中的摩擦和磨損。切削液的主要作用是潤(rùn)滑和冷卻，能夠改善切削加工中的摩擦潤(rùn)滑狀態(tài)和降低切削溫度。但切削液的存儲(chǔ)、使用以及廢棄處理需要專門的物流系統(tǒng)，因而費(fèi)用很高；切削液處理不當(dāng)會(huì)對(duì)人的健康以及環(huán)境造成危害；工件經(jīng)過(guò)濕加工后必須進(jìn)行清潔處理，這都費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)增加了對(duì)系統(tǒng)的要求[2]。
德國(guó)的vdma和日本精密工程協(xié)會(huì)的研究表明：切削加工中切削液的費(fèi)用占生產(chǎn)總費(fèi)用的15%~17%，而刀具成本只有總成本的2%~4%。據(jù)測(cè)算，如果20%的切削加工采用干式加工，總的制造成本可降低1.6%。因此，為了消除切削液帶來(lái)的負(fù)面影響，zui有效的方法就是取消切削液，進(jìn)行干式切削加工。采用干式切削的意義在于：形成的切屑干凈、清潔、無(wú)污染，易于回收和處理；省去了與切削液有關(guān)的傳輸、過(guò)濾、回收等裝置及費(fèi)用，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)系統(tǒng)，節(jié)約了生產(chǎn)成本；節(jié)省了與切削液及切屑處理有關(guān)的費(fèi)用；不產(chǎn)生環(huán)境污染及與切削液有關(guān)的安全與質(zhì)量事故[3]。因此，可以說(shuō)干切削技術(shù)是一種環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益俱佳的工藝選擇。
但是相比于傳統(tǒng)的濕切削，干切削也有一些不足：由于缺少切削液的潤(rùn)滑和冷卻作用，刀具前刀面-切屑、刀具后刀面-工件之間的摩擦加劇，切削溫度急劇升高，刀具的磨損嚴(yán)重，刀具壽命下降，加工表面質(zhì)量惡化。所以，干切削對(duì)刀具提出了更高的要求：刀具應(yīng)具有優(yōu)異的耐高溫性能；刀具與切屑之間的摩擦系數(shù)要盡可能?。槐仨氁獌?yōu)化刀具幾何參數(shù)與結(jié)構(gòu)。因此，針對(duì)干切削加工的特點(diǎn)，一種新型的自潤(rùn)滑刀具應(yīng)運(yùn)而生。
所謂自潤(rùn)滑刀具是指刀具材料本身具有減摩、抗磨和潤(rùn)滑功能，可在無(wú)外加潤(rùn)滑液或潤(rùn)滑劑的條件下實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑切削加工，可顯著改善干切削過(guò)程的摩擦潤(rùn)滑狀態(tài)[4]。由于自潤(rùn)滑刀具的應(yīng)用可減小摩擦與磨損，省去冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)，減少設(shè)備投資，避免切削液造成的環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)清潔化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本。因此，自潤(rùn)滑刀具是一種、潔凈的干切削刀具。實(shí)現(xiàn)刀具本身自潤(rùn)滑的方法有多種，可將其歸納為5種基本類型，如圖1所示：（1）添加固體潤(rùn)滑劑的自潤(rùn)滑刀具；（2）原位反應(yīng)自潤(rùn)滑刀具；（3）軟涂層自潤(rùn)滑刀具；（4）微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具；（5）軟涂層微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具。
添加固體潤(rùn)滑劑的自潤(rùn)滑刀具
添加固體潤(rùn)滑劑的自潤(rùn)滑刀具是將固體潤(rùn)滑劑直接添加到刀具材料中，制備成含有固體潤(rùn)滑劑的復(fù)合刀具。常用的固體潤(rùn)滑劑有mos2、h-bn、h3bo3、tas2、ws2及軟金屬（ni、w、al、ti和co）等，其同金屬組成摩擦副的摩擦系數(shù)可低至0.1~0.2，是普通刀具材料的1/4~1/2。干切削時(shí)，刀具前刀面的固體潤(rùn)滑劑由于受到高溫、摩擦和切削力的作用，被“擠壓”出刀具表面，在切削溫度作用下，固體潤(rùn)滑劑處于塑性狀態(tài)并被拖敷于刀具表面，形成固體潤(rùn)滑膜，從而賦予刀具的自潤(rùn)滑特性。圖2為添加caf2固體潤(rùn)滑劑的al2o3/tic/caf2自潤(rùn)滑陶瓷刀具在切削過(guò)程中的減摩模型。
固體潤(rùn)滑膜的存在可阻止刀-屑間的粘著，顯著降低前刀面與切屑間的平均摩擦系數(shù)。固體潤(rùn)滑劑對(duì)刀具材料的性能影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一，固體潤(rùn)滑劑在刀具材料中彌散分布有可能使得材料的機(jī)械性能變差；其二，固體潤(rùn)滑劑可以在摩擦表面形成潤(rùn)滑膜從而改善摩擦界面接觸狀態(tài)，進(jìn)而改善其摩擦磨損性能[5]。因此，在實(shí)際應(yīng)用中必須兼顧固體潤(rùn)滑作用和刀具材料的物理機(jī)械性能之間的平衡。切削時(shí)由于刀具前刀面各部位的受力和摩擦條件不同，因此，整個(gè)刀具前刀面上很難同時(shí)生成一層完整的固體潤(rùn)滑膜，隨著切削的進(jìn)行，可能會(huì)在某些區(qū)域的自潤(rùn)滑膜正在生成，而其他部位的自潤(rùn)滑膜正在損壞。當(dāng)自潤(rùn)滑膜產(chǎn)生破壞并脫落后，刀具前刀面便形成了一個(gè)未覆蓋潤(rùn)滑膜的新鮮表面，切屑與這一新鮮表面重新接觸，使自潤(rùn)滑刀具又重新進(jìn)入自潤(rùn)滑膜的生成過(guò)程。由此，形成了自潤(rùn)滑膜的生成、破損、脫落和再生的循環(huán)過(guò)程。
對(duì)于刀具前刀面的某一固定區(qū)域，始終會(huì)按照自潤(rùn)滑膜的生成、破壞、脫落和再生這一演變規(guī)律進(jìn)行往復(fù)循環(huán)，在切削過(guò)程中自潤(rùn)滑膜覆蓋于刀具前刀面的總面積處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。因而添加固體潤(rùn)滑劑的自潤(rùn)滑刀具在其整個(gè)生命周期內(nèi)始終具有自潤(rùn)滑效果[6]。
原位反應(yīng)自潤(rùn)滑刀具
原位反應(yīng)自潤(rùn)滑刀具是指利用切削高溫作用下的摩擦化學(xué)反應(yīng)，在刀具表面原位生成具有潤(rùn)滑作用的反應(yīng)膜，從而實(shí)現(xiàn)刀具的自潤(rùn)滑。切削摩擦條件下的化學(xué)反應(yīng)是高度非線性、不可逆的遠(yuǎn)離平衡態(tài)的熱力學(xué)過(guò)程，處于摩擦學(xué)和化學(xué)的交叉領(lǐng)域。此種化學(xué)反應(yīng)的存在，經(jīng)常引起摩擦副表面材料發(fā)生本質(zhì)的變化，使整個(gè)摩擦系統(tǒng)具有某種*的結(jié)構(gòu)特性。如果能加以合理利用，將會(huì)產(chǎn)生很好的效果[7]。刀具表面在切削過(guò)程中處于高溫狀態(tài)，有利于引發(fā)和促進(jìn)摩擦化學(xué)反應(yīng)。通過(guò)對(duì)刀具材料進(jìn)行合理的組分匹配設(shè)計(jì)和摩擦學(xué)設(shè)計(jì)，利用切削過(guò)程中的摩擦化學(xué)反應(yīng)有可能在刀具表面原位生成具有潤(rùn)滑作用的反應(yīng)膜，從而實(shí)現(xiàn)刀具的自潤(rùn)滑。生成的固體潤(rùn)滑劑可以在摩擦表面形成完整的表面膜，也可以是不完整的表面膜，甚至磨屑也可起同樣的作用。這種自潤(rùn)滑刀具材料在較高溫度下具有良好的自潤(rùn)滑能力，尤其適合于高速干切削[8-9]。原位反應(yīng)自潤(rùn)滑材料一般可以分為金屬基原位反應(yīng)自潤(rùn)滑材料、非金屬基原位反應(yīng)自潤(rùn)滑材料。其制備方法通常為粉末冶金法。此外，等離子噴涂、表面技術(shù)和鑄造法也被應(yīng)用于自潤(rùn)滑復(fù)合材料的制備中。
由于硼化物在摩擦過(guò)程中很容易生成溶解有其他元素的硼的氧化物潤(rùn)滑膜，該潤(rùn)滑膜具有較低的剪切強(qiáng)度，可以改善刀具材料的摩擦潤(rùn)滑狀態(tài)。因此，選擇以al2o3為基體，添加tib2或zrb2，采用熱壓燒結(jié)工藝研制開(kāi)發(fā)出含硼化物的（al2o3/tib2和al2o3/zro2/zrb2）原位反應(yīng)自潤(rùn)滑陶瓷刀具[10]。用該原位反應(yīng)自潤(rùn)滑刀具進(jìn)行干切削，利用切削過(guò)程中高溫作用下的摩擦化學(xué)反應(yīng)，在刀具表面原位生成具有潤(rùn)滑作用的反應(yīng)膜，可實(shí)現(xiàn)刀具本身的自潤(rùn)滑。當(dāng)切削速度較低，切削溫度較小時(shí)，刀具的磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為磨料磨損；當(dāng)切削速度較高，刀具表面的硼化物在切削高溫作用下產(chǎn)生氧化，氧化物b2o3在切屑與前刀面之間起到固體潤(rùn)滑的作用，此時(shí)，基體承受載荷，而摩擦則在氧化膜上進(jìn)行。由于硼的氧化物具有低的剪切強(qiáng)度，進(jìn)而可減小刀-屑間的摩擦系數(shù)（如圖3所示）。圖4為al2o3/zro2/zrb2原位反應(yīng)自潤(rùn)滑刀具干切削時(shí)前刀面磨損區(qū)xrd衍射譜圖。al2o3/zro2/zrb2原位反應(yīng)自潤(rùn)滑刀具在空氣中切削時(shí)，可見(jiàn)前刀面的磨損較為均勻，通過(guò)觀察刀具前刀面的edx能譜圖，發(fā)現(xiàn)前刀面有b2o3的生成，其在高溫下具有一定的潤(rùn)滑性[11]。原位反應(yīng)自潤(rùn)滑刀具具有較好的減摩和抗磨的作用，適合于高速干切削。
由于切削過(guò)程中的高溫氧化反應(yīng)無(wú)法控制，且很有可能降低刀具基體機(jī)械強(qiáng)度，加劇刀具磨損，因此原位反應(yīng)自潤(rùn)滑刀具的應(yīng)用仍有待進(jìn)一步研究。
軟涂層自潤(rùn)滑刀具
軟涂層自潤(rùn)滑刀具是指將固體潤(rùn)滑劑通過(guò)涂層的辦法直接涂覆于刀具表面，從而實(shí)現(xiàn)刀具的自潤(rùn)滑功能，這類涂層刀具也稱為自潤(rùn)滑涂層刀具[4]。軟涂層的主要成分為具有低摩擦因數(shù)的固體潤(rùn)滑劑，如mos2、ws2等，這些具有層狀結(jié)構(gòu)的固體潤(rùn)滑劑剪切強(qiáng)度較低且易附著于摩擦表面，從而可在切削過(guò)程中起到減摩作用。
此外，切削過(guò)程中，存在于刀具表面的固體潤(rùn)滑膜會(huì)轉(zhuǎn)移到工件材料表面，形成轉(zhuǎn)移膜，使切削過(guò)程中摩擦發(fā)生在轉(zhuǎn)移膜和潤(rùn)滑膜之間，使摩擦發(fā)生在固體潤(rùn)滑膜內(nèi)部，從而可達(dá)到減小摩擦、阻止黏結(jié)、降低切削力和切削溫度、減小刀具磨損的目的。與普通的tin等硬涂層刀具不同，軟涂層自潤(rùn)滑刀具是通過(guò)在刀具表面沉積具有潤(rùn)滑性能的涂層，能夠在切削過(guò)程中起到良好的減摩潤(rùn)滑作用。在切削溫度較低時(shí)（＜400℃），選用具有六方晶層狀結(jié)構(gòu)的硫化物，如mos2、ws2、mos2/ti（mo、cr、zr等）及ws2/w等，其優(yōu)點(diǎn)是與工件材料組成的摩擦副的摩擦系數(shù)很低，大約只有0.1；而當(dāng)切削溫度較高時(shí)（1000℃左右），軟金屬ni、w、al、ti等則具有更好的減摩效果[12-13]。
圖5四種軟涂層自潤(rùn)滑刀具結(jié)構(gòu)示意圖
趙金龍等[14]對(duì)mos2軟涂層自潤(rùn)滑刀具進(jìn)行了研究。在研究中設(shè)計(jì)了4種軟涂層自潤(rùn)滑刀具，分別是純mos2涂層自潤(rùn)滑刀具，mos2/ti涂層自潤(rùn)滑刀具，mos2/zr涂層自潤(rùn)滑刀具和mos2/cr涂層自潤(rùn)滑刀具（如圖5所示）。當(dāng)基體材料為yt15時(shí)，通過(guò)殘余熱應(yīng)力分析可知，涂層與基體間熱膨脹系數(shù)與沉積溫度的差異是影響涂層系統(tǒng)殘余熱應(yīng)力大小的主要因素，過(guò)渡層的添加有助于降低殘余熱應(yīng)力、減小界面的應(yīng)力梯度。mos2/zr涂層自潤(rùn)滑刀具的殘余熱應(yīng)力值較純mos2涂層以及其他含金屬過(guò)渡層的mos2涂層都要低得多。通過(guò)摩擦試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，mos2/zr涂層的摩擦系數(shù)和磨損量較純mos2涂層均顯著降低。對(duì)摩擦球表面磨損形貌和成分的分析表明，mos2/zr“軟”涂層材料與對(duì)摩材料表面之間所形成的轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑膜是影響材料摩擦磨損性能的關(guān)鍵因素之一。由于摩擦副轉(zhuǎn)移膜的存在，涂層和對(duì)摩材料的摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)橥繉雍娃D(zhuǎn)移膜之間的“內(nèi)”摩擦，從而降低了摩擦過(guò)程的摩擦系數(shù)，提高了材料的耐磨性能。圖6為mos2/zr軟涂層刀具與普通刀具切削淬火鋼時(shí)后刀面磨損量對(duì)比。對(duì)mos2/zr軟涂層刀具前刀面磨損形貌sem照片和能譜分析?？梢?jiàn)，刀具前刀面上的涂層輕微磨損，能譜分析表明，此時(shí)刀具前刀面含有大量的mo、s、zr元素。此外，通過(guò)切削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是在潤(rùn)滑膜完整的狀態(tài)抑或邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下，由于表面“軟”涂層的存在，涂層刀具的摩擦力和摩擦系數(shù)均降低；mos2/zr“軟”涂層在刀具和切屑之間起到潤(rùn)滑劑的作用，從而降低了刀具的磨損[15]。
微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具
微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具是指在刀具的刀-屑（刀-工）接觸區(qū)加工出微織構(gòu)，在微織構(gòu)中添加固體潤(rùn)滑劑，切削時(shí)由于高溫的作用使微織構(gòu)中的固體潤(rùn)滑劑軟化而拖敷于刀具表面，在刀-屑（刀-工）接觸區(qū)形成連續(xù)的固態(tài)潤(rùn)滑膜，產(chǎn)生所謂的潤(rùn)滑效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)刀具本身的自潤(rùn)滑，以達(dá)到減小摩擦、降低磨損和提高刀具壽命的目的[4]。宋文龍等[16]進(jìn)行了微結(jié)構(gòu)自潤(rùn)滑刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定了不同切削狀態(tài)下的微孔分布位置，結(jié)合微孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具應(yīng)力分布狀態(tài)的影響及作用規(guī)律，得出了*的微孔形狀及結(jié)構(gòu)尺寸：孔形為圓孔，孔數(shù)n為4，孔徑為φ（0.15±0.02）mm，孔中心距主、副切削刃的距離l1、l2以及孔間距l(xiāng)3都約為0.3mm，孔深h為0.30mm，孔偏心距l(xiāng)4取為0.05mm。通過(guò)dzw-10微細(xì)電火花加工實(shí)驗(yàn)機(jī)，在硬質(zhì)合金yg8、yt5等難加工材料的刀片上加工出*的微孔結(jié)構(gòu)，然后在微孔內(nèi)裝填mos2固體潤(rùn)滑劑，再進(jìn)行干切削對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明：微池自潤(rùn)滑刀具的切削力比普通刀具可降低25%~35%，切削溫度可降低15%~20%，刀具磨損顯著減小。
通過(guò)掃面電子顯微鏡（sem）和能譜分析（edx）對(duì)微池刀具前刀面觀察研究，分析了刀具自潤(rùn)滑機(jī)理，一是由于切削過(guò)程中微結(jié)構(gòu)自潤(rùn)滑刀具微孔中的固體潤(rùn)滑劑受熱膨脹以及切屑的摩擦擠壓作用，被拖覆在刀具表面，形成固體潤(rùn)滑膜，從而降低前刀面的摩擦系數(shù)；另一方面是由于前刀面刀-屑接觸長(zhǎng)度減小，減小了刀-屑摩擦距離。圖7為微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具切削過(guò)程中的減摩模型。潤(rùn)滑膜層在切削加工中是一個(gè)潤(rùn)滑膜形成、磨損、再形成的循環(huán)過(guò)程，微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具在微孔*磨損的整個(gè)生命周期內(nèi)始終具有自潤(rùn)滑效果[17]。同時(shí)，宋文龍用微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具進(jìn)行了摩擦試驗(yàn)，結(jié)果表明：由于固體潤(rùn)滑劑mos2具有較低的硬度、剪切強(qiáng)度以及良好的附著性能，能夠有效減緩摩擦副之間的摩擦，降低摩擦系數(shù)，由于mos2具有良好的附著性能，固體潤(rùn)滑劑在表面大量粘著、拖覆，并形成一層穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜層，使摩擦發(fā)生在潤(rùn)滑膜內(nèi)部，從而改善摩擦副的摩擦磨損性能。整個(gè)摩擦過(guò)程中，摩擦系數(shù)保持穩(wěn)定，說(shuō)明摩擦過(guò)程中能夠形成比較穩(wěn)定的固體潤(rùn)滑層。隨著摩擦的進(jìn)行，粘著、拖覆在摩擦副表面的固體潤(rùn)滑層自然要發(fā)生磨損和脫落，但表面微孔作為存儲(chǔ)器為接觸面*提供潤(rùn)滑劑，同時(shí)微孔可以捕捉摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的磨損微粒，將其轉(zhuǎn)移到微孔中減少犁溝的形成，起到減摩耐磨的效果[18]。
微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具是一種新型的干切削加工潤(rùn)滑刀具，有待于深入的研究微織構(gòu)結(jié)構(gòu)、尺寸及其減摩抗磨作用機(jī)理，在保證刀具基體強(qiáng)度的同時(shí)盡量延長(zhǎng)其作用時(shí)間，并確定微織構(gòu)刀具的適用范圍。
軟涂層微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具
軟涂層微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具是指通過(guò)飛秒激光[19]等微細(xì)加工技術(shù)在刀具的刀-屑（刀-工）接觸區(qū)加工出微米或納米級(jí)別尺寸的具有一定排列的小孔、凹槽等形貌的點(diǎn)陣，然后通過(guò)物理氣相沉積法（pvd）在刀具表面涂層mos2或ws2等軟涂層材料（如圖8所示）。
由于刀具的刀-屑（刀-工）接觸區(qū)加工有微織構(gòu)，所以在切削加工的時(shí)候，直接刀屑接觸面積就減小了，進(jìn)而減小了摩擦力；還有刀具表面的微織構(gòu)還能起到捕捉磨屑的作用[20-21]。而且由于在刀具表面用pvd法做了mos2或ws2等軟涂層，這直接就能起到軟涂層自潤(rùn)滑的作用，mos2、ws2這類軟涂層材料具有較低的摩擦系數(shù)，而且由于是層狀結(jié)構(gòu)，該軟涂層剪切強(qiáng)度較低且易附著于摩擦表面，從而可在切削過(guò)程中起到減摩作用。
同時(shí)，在切削過(guò)程中，存在于刀具表面的固體潤(rùn)滑膜會(huì)轉(zhuǎn)移到工件材料表面，形成轉(zhuǎn)移膜，使切削過(guò)程中摩擦發(fā)生在轉(zhuǎn)移膜和潤(rùn)滑膜之間，使摩擦發(fā)生在固體潤(rùn)滑膜內(nèi)部，從而可達(dá)到減小摩擦、阻止黏結(jié)、降低切削力和切削溫度、減小刀具磨損的目的。此外，當(dāng)?shù)毒弑砻娴能浲繉佑帽M時(shí)，切削時(shí)由于高溫的作用使微織構(gòu)中的軟涂層軟化從而拖敷于刀具表面，在刀-屑（刀-工）接觸區(qū)形成連續(xù)的固態(tài)潤(rùn)滑膜，產(chǎn)生所謂的微池自潤(rùn)滑效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)刀具本身的自潤(rùn)滑，以達(dá)到減小摩擦、降低磨損和提高刀具壽命的目的[22-24]。
因此，軟涂層微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具在切削時(shí)不僅能體現(xiàn)軟涂層自潤(rùn)滑刀具的軟涂層自潤(rùn)滑作用，還能產(chǎn)生微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具的微織構(gòu)自潤(rùn)滑效應(yīng)。軟涂層微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具的雙重效用能極大地改善干切削刀具摩擦力大，磨損嚴(yán)重的現(xiàn)狀，是未來(lái)干切削刀具發(fā)展的趨勢(shì)。
但是，軟涂層微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具尚處于研究階段，有待于深入研究微織構(gòu)的結(jié)構(gòu)、尺寸及其減摩抗磨作用機(jī)理，同時(shí)軟涂層的材料、涂層厚度、涂層工藝、與刀具基體的匹配程度、過(guò)渡層的選擇等需要再做進(jìn)一步的研究，以達(dá)到*的干切削加工性能。
結(jié)束語(yǔ)
干切削加工技術(shù)是實(shí)現(xiàn)綠色制造的關(guān)鍵技術(shù)，是一種*的制造技術(shù)，而干切削加工刀具技術(shù)則是干切削加工技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)。由于缺少切削液的潤(rùn)滑和冷卻，干切削刀具在實(shí)際加工中的摩擦條件會(huì)異常嚴(yán)酷，刀具磨損十分嚴(yán)重。而自潤(rùn)滑刀具則是干切削時(shí)的選擇，其不但實(shí)現(xiàn)了刀具自身潤(rùn)滑的功能，而且在自潤(rùn)滑的同時(shí)降低了刀-屑和刀-工之間的摩擦力，減輕了刀具磨損，同時(shí)降低了刀具的切削溫度，達(dá)到冷卻的功能。
而在5種自潤(rùn)滑刀具中，添加固體潤(rùn)滑劑的自潤(rùn)滑刀具由于是把固體潤(rùn)滑劑添加到基體中去，因而有可能使得刀具基體材料的機(jī)械性能變差，從而影響刀具的切削性能；而原位反應(yīng)自潤(rùn)滑刀具是刀具內(nèi)部成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，必須達(dá)到較高的反應(yīng)溫度；軟涂層自潤(rùn)滑刀具的軟涂層磨損后難以補(bǔ)充，一旦磨損或脫落涂層作用就將失效；微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具由于加工的織構(gòu)較小，所以可填充的潤(rùn)滑劑數(shù)量有限，而如果加工的織構(gòu)較大，就會(huì)影響刀具的強(qiáng)度和機(jī)械性能；而軟涂層微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具，由于具備軟涂層自潤(rùn)滑和微織構(gòu)自潤(rùn)滑的雙重作用，而且采用飛秒激光等微細(xì)加工技術(shù)可以減輕對(duì)刀具的燒蝕以及對(duì)刀具機(jī)械性能和強(qiáng)度的影響，在進(jìn)行銑削、鉆削等回轉(zhuǎn)加工時(shí)也不會(huì)因?yàn)殡x心運(yùn)動(dòng)而使?jié)櫥瑒┓稚?，刀具?屑（刀-工）接觸區(qū)的微納米級(jí)別的織構(gòu)不僅能捕捉磨屑，存儲(chǔ)潤(rùn)滑劑供外表軟涂層磨盡時(shí)用，還能起到減小加工時(shí)的刀屑接觸面積等作用。因此，軟涂層微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具將是未來(lái)干切削刀具發(fā)展的趨勢(shì)。
總之，針對(duì)干切削加工，一方面要開(kāi)發(fā)新型的刀具材料及刀具涂層技術(shù)，并使之相結(jié)合，提高刀具耐磨損和耐高溫性能；另一方面要設(shè)計(jì)新型的自潤(rùn)滑刀具實(shí)現(xiàn)刀具的自潤(rùn)滑，提高刀具減摩潤(rùn)滑性能的同時(shí)保證自潤(rùn)滑刀具基體機(jī)械性能，并針對(duì)不同的加工條件選擇合理的刀具幾何結(jié)構(gòu)和刀具材料，這是設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)干切削刀具的有效途徑。本文共有參考文獻(xiàn)24篇，因篇幅所限，未能一一列出，讀者如有需要，請(qǐng)向本刊編輯部索取。
（作者：山東大學(xué)連云崧）
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德國(guó)的vdma和日本精密工程協(xié)會(huì)的研究表明：切削加工中切削液的費(fèi)用占生產(chǎn)總費(fèi)用的15%~17%，而刀具成本只有總成本的2%~4%。據(jù)測(cè)算，如果20%的切削加工采用干式加工，總的制造成本可降低1.6%。因此，為了消除切削液帶來(lái)的負(fù)面影響，zui有效的方法就是取消切削液，進(jìn)行干式切削加工。采用干式切削的意義在于：形成的切屑干凈、清潔、無(wú)污染，易于回收和處理；省去了與切削液有關(guān)的傳輸、過(guò)濾、回收等裝置及費(fèi)用，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)系統(tǒng)，節(jié)約了生產(chǎn)成本；節(jié)省了與切削液及切屑處理有關(guān)的費(fèi)用；不產(chǎn)生環(huán)境污染及與切削液有關(guān)的安全與質(zhì)量事故[3]。因此，可以說(shuō)干切削技術(shù)是一種環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益俱佳的工藝選擇。
但是相比于傳統(tǒng)的濕切削，干切削也有一些不足：由于缺少切削液的潤(rùn)滑和冷卻作用，刀具前刀面-切屑、刀具后刀面-工件之間的摩擦加劇，切削溫度急劇升高，刀具的磨損嚴(yán)重，刀具壽命下降，加工表面質(zhì)量惡化。所以，干切削對(duì)刀具提出了更高的要求：刀具應(yīng)具有優(yōu)異的耐高溫性能；刀具與切屑之間的摩擦系數(shù)要盡可能?。槐仨氁獌?yōu)化刀具幾何參數(shù)與結(jié)構(gòu)。因此，針對(duì)干切削加工的特點(diǎn)，一種新型的自潤(rùn)滑刀具應(yīng)運(yùn)而生。
所謂自潤(rùn)滑刀具是指刀具材料本身具有減摩、抗磨和潤(rùn)滑功能，可在無(wú)外加潤(rùn)滑液或潤(rùn)滑劑的條件下實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑切削加工，可顯著改善干切削過(guò)程的摩擦潤(rùn)滑狀態(tài)[4]。由于自潤(rùn)滑刀具的應(yīng)用可減小摩擦與磨損，省去冷卻潤(rùn)滑系統(tǒng)，減少設(shè)備投資，避免切削液造成的環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)清潔化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本。因此，自潤(rùn)滑刀具是一種、潔凈的干切削刀具。實(shí)現(xiàn)刀具本身自潤(rùn)滑的方法有多種，可將其歸納為5種基本類型，如圖1所示：（1）添加固體潤(rùn)滑劑的自潤(rùn)滑刀具；（2）原位反應(yīng)自潤(rùn)滑刀具；（3）軟涂層自潤(rùn)滑刀具；（4）微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具；（5）軟涂層微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具。
添加固體潤(rùn)滑劑的自潤(rùn)滑刀具
添加固體潤(rùn)滑劑的自潤(rùn)滑刀具是將固體潤(rùn)滑劑直接添加到刀具材料中，制備成含有固體潤(rùn)滑劑的復(fù)合刀具。常用的固體潤(rùn)滑劑有mos2、h-bn、h3bo3、tas2、ws2及軟金屬（ni、w、al、ti和co）等，其同金屬組成摩擦副的摩擦系數(shù)可低至0.1~0.2，是普通刀具材料的1/4~1/2。干切削時(shí)，刀具前刀面的固體潤(rùn)滑劑由于受到高溫、摩擦和切削力的作用，被“擠壓”出刀具表面，在切削溫度作用下，固體潤(rùn)滑劑處于塑性狀態(tài)并被拖敷于刀具表面，形成固體潤(rùn)滑膜，從而賦予刀具的自潤(rùn)滑特性。圖2為添加caf2固體潤(rùn)滑劑的al2o3/tic/caf2自潤(rùn)滑陶瓷刀具在切削過(guò)程中的減摩模型。
固體潤(rùn)滑膜的存在可阻止刀-屑間的粘著，顯著降低前刀面與切屑間的平均摩擦系數(shù)。固體潤(rùn)滑劑對(duì)刀具材料的性能影響表現(xiàn)在兩個(gè)方面：其一，固體潤(rùn)滑劑在刀具材料中彌散分布有可能使得材料的機(jī)械性能變差；其二，固體潤(rùn)滑劑可以在摩擦表面形成潤(rùn)滑膜從而改善摩擦界面接觸狀態(tài)，進(jìn)而改善其摩擦磨損性能[5]。因此，在實(shí)際應(yīng)用中必須兼顧固體潤(rùn)滑作用和刀具材料的物理機(jī)械性能之間的平衡。切削時(shí)由于刀具前刀面各部位的受力和摩擦條件不同，因此，整個(gè)刀具前刀面上很難同時(shí)生成一層完整的固體潤(rùn)滑膜，隨著切削的進(jìn)行，可能會(huì)在某些區(qū)域的自潤(rùn)滑膜正在生成，而其他部位的自潤(rùn)滑膜正在損壞。當(dāng)自潤(rùn)滑膜產(chǎn)生破壞并脫落后，刀具前刀面便形成了一個(gè)未覆蓋潤(rùn)滑膜的新鮮表面，切屑與這一新鮮表面重新接觸，使自潤(rùn)滑刀具又重新進(jìn)入自潤(rùn)滑膜的生成過(guò)程。由此，形成了自潤(rùn)滑膜的生成、破損、脫落和再生的循環(huán)過(guò)程。
對(duì)于刀具前刀面的某一固定區(qū)域，始終會(huì)按照自潤(rùn)滑膜的生成、破壞、脫落和再生這一演變規(guī)律進(jìn)行往復(fù)循環(huán)，在切削過(guò)程中自潤(rùn)滑膜覆蓋于刀具前刀面的總面積處于一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。因而添加固體潤(rùn)滑劑的自潤(rùn)滑刀具在其整個(gè)生命周期內(nèi)始終具有自潤(rùn)滑效果[6]。
原位反應(yīng)自潤(rùn)滑刀具
原位反應(yīng)自潤(rùn)滑刀具是指利用切削高溫作用下的摩擦化學(xué)反應(yīng)，在刀具表面原位生成具有潤(rùn)滑作用的反應(yīng)膜，從而實(shí)現(xiàn)刀具的自潤(rùn)滑。切削摩擦條件下的化學(xué)反應(yīng)是高度非線性、不可逆的遠(yuǎn)離平衡態(tài)的熱力學(xué)過(guò)程，處于摩擦學(xué)和化學(xué)的交叉領(lǐng)域。此種化學(xué)反應(yīng)的存在，經(jīng)常引起摩擦副表面材料發(fā)生本質(zhì)的變化，使整個(gè)摩擦系統(tǒng)具有某種*的結(jié)構(gòu)特性。如果能加以合理利用，將會(huì)產(chǎn)生很好的效果[7]。刀具表面在切削過(guò)程中處于高溫狀態(tài)，有利于引發(fā)和促進(jìn)摩擦化學(xué)反應(yīng)。通過(guò)對(duì)刀具材料進(jìn)行合理的組分匹配設(shè)計(jì)和摩擦學(xué)設(shè)計(jì)，利用切削過(guò)程中的摩擦化學(xué)反應(yīng)有可能在刀具表面原位生成具有潤(rùn)滑作用的反應(yīng)膜，從而實(shí)現(xiàn)刀具的自潤(rùn)滑。生成的固體潤(rùn)滑劑可以在摩擦表面形成完整的表面膜，也可以是不完整的表面膜，甚至磨屑也可起同樣的作用。這種自潤(rùn)滑刀具材料在較高溫度下具有良好的自潤(rùn)滑能力，尤其適合于高速干切削[8-9]。原位反應(yīng)自潤(rùn)滑材料一般可以分為金屬基原位反應(yīng)自潤(rùn)滑材料、非金屬基原位反應(yīng)自潤(rùn)滑材料。其制備方法通常為粉末冶金法。此外，等離子噴涂、表面技術(shù)和鑄造法也被應(yīng)用于自潤(rùn)滑復(fù)合材料的制備中。
由于硼化物在摩擦過(guò)程中很容易生成溶解有其他元素的硼的氧化物潤(rùn)滑膜，該潤(rùn)滑膜具有較低的剪切強(qiáng)度，可以改善刀具材料的摩擦潤(rùn)滑狀態(tài)。因此，選擇以al2o3為基體，添加tib2或zrb2，采用熱壓燒結(jié)工藝研制開(kāi)發(fā)出含硼化物的（al2o3/tib2和al2o3/zro2/zrb2）原位反應(yīng)自潤(rùn)滑陶瓷刀具[10]。用該原位反應(yīng)自潤(rùn)滑刀具進(jìn)行干切削，利用切削過(guò)程中高溫作用下的摩擦化學(xué)反應(yīng)，在刀具表面原位生成具有潤(rùn)滑作用的反應(yīng)膜，可實(shí)現(xiàn)刀具本身的自潤(rùn)滑。當(dāng)切削速度較低，切削溫度較小時(shí)，刀具的磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為磨料磨損；當(dāng)切削速度較高，刀具表面的硼化物在切削高溫作用下產(chǎn)生氧化，氧化物b2o3在切屑與前刀面之間起到固體潤(rùn)滑的作用，此時(shí)，基體承受載荷，而摩擦則在氧化膜上進(jìn)行。由于硼的氧化物具有低的剪切強(qiáng)度，進(jìn)而可減小刀-屑間的摩擦系數(shù)（如圖3所示）。圖4為al2o3/zro2/zrb2原位反應(yīng)自潤(rùn)滑刀具干切削時(shí)前刀面磨損區(qū)xrd衍射譜圖。al2o3/zro2/zrb2原位反應(yīng)自潤(rùn)滑刀具在空氣中切削時(shí)，可見(jiàn)前刀面的磨損較為均勻，通過(guò)觀察刀具前刀面的edx能譜圖，發(fā)現(xiàn)前刀面有b2o3的生成，其在高溫下具有一定的潤(rùn)滑性[11]。原位反應(yīng)自潤(rùn)滑刀具具有較好的減摩和抗磨的作用，適合于高速干切削。
由于切削過(guò)程中的高溫氧化反應(yīng)無(wú)法控制，且很有可能降低刀具基體機(jī)械強(qiáng)度，加劇刀具磨損，因此原位反應(yīng)自潤(rùn)滑刀具的應(yīng)用仍有待進(jìn)一步研究。
軟涂層自潤(rùn)滑刀具
軟涂層自潤(rùn)滑刀具是指將固體潤(rùn)滑劑通過(guò)涂層的辦法直接涂覆于刀具表面，從而實(shí)現(xiàn)刀具的自潤(rùn)滑功能，這類涂層刀具也稱為自潤(rùn)滑涂層刀具[4]。軟涂層的主要成分為具有低摩擦因數(shù)的固體潤(rùn)滑劑，如mos2、ws2等，這些具有層狀結(jié)構(gòu)的固體潤(rùn)滑劑剪切強(qiáng)度較低且易附著于摩擦表面，從而可在切削過(guò)程中起到減摩作用。
此外，切削過(guò)程中，存在于刀具表面的固體潤(rùn)滑膜會(huì)轉(zhuǎn)移到工件材料表面，形成轉(zhuǎn)移膜，使切削過(guò)程中摩擦發(fā)生在轉(zhuǎn)移膜和潤(rùn)滑膜之間，使摩擦發(fā)生在固體潤(rùn)滑膜內(nèi)部，從而可達(dá)到減小摩擦、阻止黏結(jié)、降低切削力和切削溫度、減小刀具磨損的目的。與普通的tin等硬涂層刀具不同，軟涂層自潤(rùn)滑刀具是通過(guò)在刀具表面沉積具有潤(rùn)滑性能的涂層，能夠在切削過(guò)程中起到良好的減摩潤(rùn)滑作用。在切削溫度較低時(shí)（＜400℃），選用具有六方晶層狀結(jié)構(gòu)的硫化物，如mos2、ws2、mos2/ti（mo、cr、zr等）及ws2/w等，其優(yōu)點(diǎn)是與工件材料組成的摩擦副的摩擦系數(shù)很低，大約只有0.1；而當(dāng)切削溫度較高時(shí)（1000℃左右），軟金屬ni、w、al、ti等則具有更好的減摩效果[12-13]。
圖5四種軟涂層自潤(rùn)滑刀具結(jié)構(gòu)示意圖
趙金龍等[14]對(duì)mos2軟涂層自潤(rùn)滑刀具進(jìn)行了研究。在研究中設(shè)計(jì)了4種軟涂層自潤(rùn)滑刀具，分別是純mos2涂層自潤(rùn)滑刀具，mos2/ti涂層自潤(rùn)滑刀具，mos2/zr涂層自潤(rùn)滑刀具和mos2/cr涂層自潤(rùn)滑刀具（如圖5所示）。當(dāng)基體材料為yt15時(shí)，通過(guò)殘余熱應(yīng)力分析可知，涂層與基體間熱膨脹系數(shù)與沉積溫度的差異是影響涂層系統(tǒng)殘余熱應(yīng)力大小的主要因素，過(guò)渡層的添加有助于降低殘余熱應(yīng)力、減小界面的應(yīng)力梯度。mos2/zr涂層自潤(rùn)滑刀具的殘余熱應(yīng)力值較純mos2涂層以及其他含金屬過(guò)渡層的mos2涂層都要低得多。通過(guò)摩擦試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，mos2/zr涂層的摩擦系數(shù)和磨損量較純mos2涂層均顯著降低。對(duì)摩擦球表面磨損形貌和成分的分析表明，mos2/zr“軟”涂層材料與對(duì)摩材料表面之間所形成的轉(zhuǎn)移潤(rùn)滑膜是影響材料摩擦磨損性能的關(guān)鍵因素之一。由于摩擦副轉(zhuǎn)移膜的存在，涂層和對(duì)摩材料的摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)橥繉雍娃D(zhuǎn)移膜之間的“內(nèi)”摩擦，從而降低了摩擦過(guò)程的摩擦系數(shù)，提高了材料的耐磨性能。圖6為mos2/zr軟涂層刀具與普通刀具切削淬火鋼時(shí)后刀面磨損量對(duì)比。對(duì)mos2/zr軟涂層刀具前刀面磨損形貌sem照片和能譜分析?？梢?jiàn)，刀具前刀面上的涂層輕微磨損，能譜分析表明，此時(shí)刀具前刀面含有大量的mo、s、zr元素。此外，通過(guò)切削試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是在潤(rùn)滑膜完整的狀態(tài)抑或邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下，由于表面“軟”涂層的存在，涂層刀具的摩擦力和摩擦系數(shù)均降低；mos2/zr“軟”涂層在刀具和切屑之間起到潤(rùn)滑劑的作用，從而降低了刀具的磨損[15]。
微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具
微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具是指在刀具的刀-屑（刀-工）接觸區(qū)加工出微織構(gòu)，在微織構(gòu)中添加固體潤(rùn)滑劑，切削時(shí)由于高溫的作用使微織構(gòu)中的固體潤(rùn)滑劑軟化而拖敷于刀具表面，在刀-屑（刀-工）接觸區(qū)形成連續(xù)的固態(tài)潤(rùn)滑膜，產(chǎn)生所謂的潤(rùn)滑效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)刀具本身的自潤(rùn)滑，以達(dá)到減小摩擦、降低磨損和提高刀具壽命的目的[4]。宋文龍等[16]進(jìn)行了微結(jié)構(gòu)自潤(rùn)滑刀具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定了不同切削狀態(tài)下的微孔分布位置，結(jié)合微孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具應(yīng)力分布狀態(tài)的影響及作用規(guī)律，得出了*的微孔形狀及結(jié)構(gòu)尺寸：孔形為圓孔，孔數(shù)n為4，孔徑為φ（0.15±0.02）mm，孔中心距主、副切削刃的距離l1、l2以及孔間距l(xiāng)3都約為0.3mm，孔深h為0.30mm，孔偏心距l(xiāng)4取為0.05mm。通過(guò)dzw-10微細(xì)電火花加工實(shí)驗(yàn)機(jī)，在硬質(zhì)合金yg8、yt5等難加工材料的刀片上加工出*的微孔結(jié)構(gòu)，然后在微孔內(nèi)裝填mos2固體潤(rùn)滑劑，再進(jìn)行干切削對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明：微池自潤(rùn)滑刀具的切削力比普通刀具可降低25%~35%，切削溫度可降低15%~20%，刀具磨損顯著減小。
通過(guò)掃面電子顯微鏡（sem）和能譜分析（edx）對(duì)微池刀具前刀面觀察研究，分析了刀具自潤(rùn)滑機(jī)理，一是由于切削過(guò)程中微結(jié)構(gòu)自潤(rùn)滑刀具微孔中的固體潤(rùn)滑劑受熱膨脹以及切屑的摩擦擠壓作用，被拖覆在刀具表面，形成固體潤(rùn)滑膜，從而降低前刀面的摩擦系數(shù)；另一方面是由于前刀面刀-屑接觸長(zhǎng)度減小，減小了刀-屑摩擦距離。圖7為微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具切削過(guò)程中的減摩模型。潤(rùn)滑膜層在切削加工中是一個(gè)潤(rùn)滑膜形成、磨損、再形成的循環(huán)過(guò)程，微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具在微孔*磨損的整個(gè)生命周期內(nèi)始終具有自潤(rùn)滑效果[17]。同時(shí)，宋文龍用微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具進(jìn)行了摩擦試驗(yàn)，結(jié)果表明：由于固體潤(rùn)滑劑mos2具有較低的硬度、剪切強(qiáng)度以及良好的附著性能，能夠有效減緩摩擦副之間的摩擦，降低摩擦系數(shù)，由于mos2具有良好的附著性能，固體潤(rùn)滑劑在表面大量粘著、拖覆，并形成一層穩(wěn)定的潤(rùn)滑膜層，使摩擦發(fā)生在潤(rùn)滑膜內(nèi)部，從而改善摩擦副的摩擦磨損性能。整個(gè)摩擦過(guò)程中，摩擦系數(shù)保持穩(wěn)定，說(shuō)明摩擦過(guò)程中能夠形成比較穩(wěn)定的固體潤(rùn)滑層。隨著摩擦的進(jìn)行，粘著、拖覆在摩擦副表面的固體潤(rùn)滑層自然要發(fā)生磨損和脫落，但表面微孔作為存儲(chǔ)器為接觸面*提供潤(rùn)滑劑，同時(shí)微孔可以捕捉摩擦過(guò)程中產(chǎn)生的磨損微粒，將其轉(zhuǎn)移到微孔中減少犁溝的形成，起到減摩耐磨的效果[18]。
微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具是一種新型的干切削加工潤(rùn)滑刀具，有待于深入的研究微織構(gòu)結(jié)構(gòu)、尺寸及其減摩抗磨作用機(jī)理，在保證刀具基體強(qiáng)度的同時(shí)盡量延長(zhǎng)其作用時(shí)間，并確定微織構(gòu)刀具的適用范圍。
軟涂層微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具
軟涂層微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具是指通過(guò)飛秒激光[19]等微細(xì)加工技術(shù)在刀具的刀-屑（刀-工）接觸區(qū)加工出微米或納米級(jí)別尺寸的具有一定排列的小孔、凹槽等形貌的點(diǎn)陣，然后通過(guò)物理氣相沉積法（pvd）在刀具表面涂層mos2或ws2等軟涂層材料（如圖8所示）。
由于刀具的刀-屑（刀-工）接觸區(qū)加工有微織構(gòu)，所以在切削加工的時(shí)候，直接刀屑接觸面積就減小了，進(jìn)而減小了摩擦力；還有刀具表面的微織構(gòu)還能起到捕捉磨屑的作用[20-21]。而且由于在刀具表面用pvd法做了mos2或ws2等軟涂層，這直接就能起到軟涂層自潤(rùn)滑的作用，mos2、ws2這類軟涂層材料具有較低的摩擦系數(shù)，而且由于是層狀結(jié)構(gòu)，該軟涂層剪切強(qiáng)度較低且易附著于摩擦表面，從而可在切削過(guò)程中起到減摩作用。
同時(shí)，在切削過(guò)程中，存在于刀具表面的固體潤(rùn)滑膜會(huì)轉(zhuǎn)移到工件材料表面，形成轉(zhuǎn)移膜，使切削過(guò)程中摩擦發(fā)生在轉(zhuǎn)移膜和潤(rùn)滑膜之間，使摩擦發(fā)生在固體潤(rùn)滑膜內(nèi)部，從而可達(dá)到減小摩擦、阻止黏結(jié)、降低切削力和切削溫度、減小刀具磨損的目的。此外，當(dāng)?shù)毒弑砻娴能浲繉佑帽M時(shí)，切削時(shí)由于高溫的作用使微織構(gòu)中的軟涂層軟化從而拖敷于刀具表面，在刀-屑（刀-工）接觸區(qū)形成連續(xù)的固態(tài)潤(rùn)滑膜，產(chǎn)生所謂的微池自潤(rùn)滑效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)刀具本身的自潤(rùn)滑，以達(dá)到減小摩擦、降低磨損和提高刀具壽命的目的[22-24]。
因此，軟涂層微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具在切削時(shí)不僅能體現(xiàn)軟涂層自潤(rùn)滑刀具的軟涂層自潤(rùn)滑作用，還能產(chǎn)生微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具的微織構(gòu)自潤(rùn)滑效應(yīng)。軟涂層微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具的雙重效用能極大地改善干切削刀具摩擦力大，磨損嚴(yán)重的現(xiàn)狀，是未來(lái)干切削刀具發(fā)展的趨勢(shì)。
但是，軟涂層微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具尚處于研究階段，有待于深入研究微織構(gòu)的結(jié)構(gòu)、尺寸及其減摩抗磨作用機(jī)理，同時(shí)軟涂層的材料、涂層厚度、涂層工藝、與刀具基體的匹配程度、過(guò)渡層的選擇等需要再做進(jìn)一步的研究，以達(dá)到*的干切削加工性能。
結(jié)束語(yǔ)
干切削加工技術(shù)是實(shí)現(xiàn)綠色制造的關(guān)鍵技術(shù)，是一種*的制造技術(shù)，而干切削加工刀具技術(shù)則是干切削加工技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)。由于缺少切削液的潤(rùn)滑和冷卻，干切削刀具在實(shí)際加工中的摩擦條件會(huì)異常嚴(yán)酷，刀具磨損十分嚴(yán)重。而自潤(rùn)滑刀具則是干切削時(shí)的選擇，其不但實(shí)現(xiàn)了刀具自身潤(rùn)滑的功能，而且在自潤(rùn)滑的同時(shí)降低了刀-屑和刀-工之間的摩擦力，減輕了刀具磨損，同時(shí)降低了刀具的切削溫度，達(dá)到冷卻的功能。
而在5種自潤(rùn)滑刀具中，添加固體潤(rùn)滑劑的自潤(rùn)滑刀具由于是把固體潤(rùn)滑劑添加到基體中去，因而有可能使得刀具基體材料的機(jī)械性能變差，從而影響刀具的切削性能；而原位反應(yīng)自潤(rùn)滑刀具是刀具內(nèi)部成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，必須達(dá)到較高的反應(yīng)溫度；軟涂層自潤(rùn)滑刀具的軟涂層磨損后難以補(bǔ)充，一旦磨損或脫落涂層作用就將失效；微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具由于加工的織構(gòu)較小，所以可填充的潤(rùn)滑劑數(shù)量有限，而如果加工的織構(gòu)較大，就會(huì)影響刀具的強(qiáng)度和機(jī)械性能；而軟涂層微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具，由于具備軟涂層自潤(rùn)滑和微織構(gòu)自潤(rùn)滑的雙重作用，而且采用飛秒激光等微細(xì)加工技術(shù)可以減輕對(duì)刀具的燒蝕以及對(duì)刀具機(jī)械性能和強(qiáng)度的影響，在進(jìn)行銑削、鉆削等回轉(zhuǎn)加工時(shí)也不會(huì)因?yàn)殡x心運(yùn)動(dòng)而使?jié)櫥瑒┓稚?，刀具?屑（刀-工）接觸區(qū)的微納米級(jí)別的織構(gòu)不僅能捕捉磨屑，存儲(chǔ)潤(rùn)滑劑供外表軟涂層磨盡時(shí)用，還能起到減小加工時(shí)的刀屑接觸面積等作用。因此，軟涂層微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具將是未來(lái)干切削刀具發(fā)展的趨勢(shì)。
總之，針對(duì)干切削加工，一方面要開(kāi)發(fā)新型的刀具材料及刀具涂層技術(shù)，并使之相結(jié)合，提高刀具耐磨損和耐高溫性能；另一方面要設(shè)計(jì)新型的自潤(rùn)滑刀具實(shí)現(xiàn)刀具的自潤(rùn)滑，提高刀具減摩潤(rùn)滑性能的同時(shí)保證自潤(rùn)滑刀具基體機(jī)械性能，并針對(duì)不同的加工條件選擇合理的刀具幾何結(jié)構(gòu)和刀具材料，這是設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)干切削刀具的有效途徑。本文共有參考文獻(xiàn)24篇，因篇幅所限，未能一一列出，讀者如有需要，請(qǐng)向本刊編輯部索取。
（作者：山東大學(xué)連云崧）
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