高速切削过程中的冷却润滑

高速切削过程中的冷却润滑M010214114张鹏飞摘要：金属切削过程是切削层金属在刀具的前刀面推挤下，发生以剪切滑移为主的塑性变形而形成切屑的过程。切削过程中的摩擦影响到切削力、切削温度、刀具的磨损、积屑瘤和鳞刺的形成。这很大程度上影响着已加工表面的质量。本文主要介绍了高速切削过程中的摩擦机理以及相应的冷却润滑的机理，用来改善高速切削的加工质量。Abstract:Metalcuttingprocessiscuttinglayersofmetalinthetoolrakefaceashove,dominatedbyshearplasticdeformationandtheformationofthechip.Thefrictionintheprocessofcuttingaffectsthecuttingforce,cuttingtemperature,toolwear,andtheformationofthedebrisandthescales.Thisgreatlyinfluencesthequalityofthemachinedsurface.Inthispaper,themechanismoffrictionintheprocessofhighspeedmachiningandthemechanismofthecorrespondingcoolinglubricationareintroduced,whichisusedtoimprovethemachiningqualityofhighspeedmachining.关键词：高速切削、冷却与润滑、摩擦、切削液1引言金属切削加工的过程可以归结为切削物(刀具、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，应研究清楚高速切削摩擦产生的影响与冷却润滑之间的平衡关系。在金属切削过程中，始终存在着两个摩擦副，前刀面与切屑的摩擦副和后刀面与切屑的摩擦副。刀具前刀面、后刀面不断与切屑和工件接触并发生强烈的摩擦，接触区压力可高达1GPa以上，切削温度则可高达1000益以上[1]。在这样的高温高压下，切削条件极度恶劣，会大大缩短刀具寿命和影响工件的加工质量。为了降低切削温度，延长刀具寿命和提高加工表面质量，往往在加工过程中使用冷却润滑液。冷却润滑液在切削过程中的主要作用就是冷却与润滑，此外还有排屑等附加作用。冷却与润滑的机理就是在刀具与切屑之间形成一次润滑膜，避免刀具与切屑直接接触，同时降低它们之间的剪切系数，从而降低剪切应力。切削加工过程中具有润滑作用的薄膜主要包括物理吸附膜、化学吸附膜、化学反应膜、氧化膜、涂层润滑膜及自润滑膜等[2]。2高速切削过程中的摩擦在金属切削过程中，始终存在着两个摩擦副，前刀面与切屑的摩擦副和后刀面与切屑的摩擦副。刀具前刀面、后刀面不断与切屑和工件接触并发生强烈的摩图1高速加工结构及关键技术擦，接触区压力可高达1GPa以上，切削温度则可高达1000益以上。如图1所示。刀屑摩擦是指刀具前刀面与切屑之间的挤压与摩擦，压力高达数GPa，在高温作用下，切屑与前刀面部分接触区发生粘结，形成内摩擦，如图1中A区所示。在B区，切屑与前刀面是峰点接触，为滑动摩擦区。故通常把刀屑间的摩擦分为粘结区和滑动摩擦区的外摩擦。刀工摩擦是后刀面与工件已加工表面之间的摩擦，相比前刀面，后刀面的正压力较小，主要为峰点接触，故同样为滑动摩擦，C区为不发生摩擦的区域。图2切削加工过程中的摩擦切削中的摩擦对切削加工过程有着重要影响，尤其是在高速切削难加工材料时，刀屑间的摩擦更加剧烈，切削区温度更高，对切削过程影响更大。在摩擦对切削过程的影像中，刀屑摩擦对切屑的形成、切削力、切削温度以及前刀具磨损等有较大影响；而刀工摩擦对已加工表面质量以及后刀面磨损有重要影响。因此，研究刀具与工件材料接触表面的摩擦特性至关重要，并通过改善切削区的接触状态，以减少切削摩擦的影响。切削加工中的摩擦与热对切削加工的各方面有许多不利影响，采取适当的措施降低切削区的摩擦，减少切削热，改善切削加工过程，成为重要的研究内容。而切削液成为改善切削区摩擦的有效方法，切削液在加工过程中起到润滑、冷却和清洗作用，从而带走加工中产生的热量、降低摩擦和刀具磨损、排除切削等。2.1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况[2]。在高速条件下，虽然刀具表面原有的吸附膜容易被破坏，但高速切削所带来的高温条件，容易使刀具表面形成新的氧化膜，并且使黏结区材料因高温而软化，使刀屑间的摩擦力降低。Farhat[3]研究了切屑与前刀面之间的摩擦系数随切削速度的变化情况，研究结果表明随着切削速度的增大，摩擦系数从0.95下降到0.67这是由于在高速切削的时候，刀屑界面形成一层薄的熔融金属层而使切屑更容易产生剪切滑移。这与文献[4]中研究的结果相符。即对于不同的切削深度，摩擦系数都是随着切削速度的增大而减小。高速切削时，刀屑之间产生摩擦化学反应，对摩擦系数产生一定的影响。根据邓建新[5]等人的研究，Al2O3陶瓷刀具高速干切削时，摩擦系数随切削速度和TiB2含量增大呈减小趋势。随切削速度的升高，切削温度增大，刀屑之间产生摩擦氧化反应，TiB2氧化速度加快，氧化产物增多；TiB2的氧化产物TiO2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[6]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[7]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[8]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[9]。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而逐渐增大；最大等效应力出现在切削刃附近，等效应力等值线以刀尖为中心向两端扩展，远离切削区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。2.2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240mm/min和1000mm/min切削速度下，得到的工件表面质量。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[11]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。3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[12-13]，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。3.1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Co3O4、CoO和TiO2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[14]利用弹道实验装置，研究了硬质合金刀片高速切削低碳钢(C22)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)，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[15]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，月牙洼才缓慢形成和扩展。3.2后刀面磨损后刀面磨损是高速切削刀具最经常发生的磨损形式，可看作是刀具的正常磨损。高速切削时，高温区域接近切削刃，刀屑接触长度短以及切削力集中在切削刃附近，使后刀面磨损形态呈现出与常速切削相似的较均匀但位置较靠近刀尖部位的带状。后刀面磨损带宽度的加大会使刀具丧失切削性能，使切削力增大，切削温度升高，工艺系统振动加剧，加工质量降低[16]。高速切削过程中的切削速度是影响刀具磨损和使用寿命的一个重要因素。文献[17]通过高速切削实验，研究陶瓷刀片切削镍基合金时切削速度对刀具后刀面磨损和刀具寿命的影响，对比了圆形刀片和四方刀片的磨损性能。研究结果表明，后刀面磨损、月牙洼磨损以及塑性变形是陶瓷刀具高速切削时的磨损机理。圆形刀片的主要磨损机理是后刀面磨损和刀尖磨损，而四方刀片的主要磨损形态是月牙洼磨损。圆形刀