切削刀具摩擦磨損的研究方法綜述*＊

張 輝 李桂玉 付 增 唐倩雯 宋輝輝 顏 培

(①中石化勝利油田采油工藝研究院，山東 東營 257000;②東營職業學院石油裝備與機電工程學院，山東 東營 257000;③清華大學機械工程系，北京 100084)

刀具磨損是切削加工過程中刀具失效的主要原因，嚴重影響著工件的加工質量和加工效率［1］。隨著制造業的發展，一方面有越來越多的新材料、難加工材料需要加工，另一方面基于環境保護的要求，干切削、準干切削(MQL)技術減少了切削液的使用對刀具的耐磨性提出了更高的要求。因此，對刀具材料的摩擦磨損特性的研究是切削加工研究中十分重要的一環。

金屬切削尤其是高速切削過程中刀具和工件之間的摩擦具有接觸應力高、摩擦溫度高、摩擦表面不斷變化、摩擦狀態多為干摩擦等特點［2-6］，因此刀具的磨損往往是磨料磨損、粘結磨損、化學磨損(氧化、擴散和溶解等)、脆性破損和塑性變形等多種形式綜合作用的結果。許多研究者通過不同的試驗裝置和試驗方法對刀具的磨損過程進行了模擬和研究，常見的研究方法大體可歸為3 大類:切削試驗、常規摩擦磨損試驗和特殊試驗。本文綜述了目前國內外針對刀具摩擦磨損特性研究中比較前沿的試驗方法，以期對刀具摩擦磨損的研究起到一定的指導作用。

1 切削試驗

切削試驗是評價刀具耐磨性最常用的試驗方式，新刀具的開發以及難加工材料加工時刀具的選擇，都需要進行切削試驗［7-9］。目前常見的切削試驗方法如圖1 所示。

在切削試驗過程中，在機床上架設力傳感器測量各個方向的切削力;使用熱像儀或者在刀具上埋設熱電偶，測量切削區的溫度;試驗完后使用工具顯微鏡測量刀具前刀面或者后刀面的磨損量;使用掃描電鏡(SEM)等觀察刀具磨損區域的形貌。試驗中利用正交試驗或者單因素試驗方法，系統地設定切削速度、進給量和背吃刀量，從而獲得不同切削條件下產生的各個切削參數，并通過切削力、切削溫度、刀具磨損量等與切削條件的關系及其變化規律，分析得出切削刀具磨損的機理。

通過切削試驗來研究刀具的耐磨性無疑可以獲得最為準確的刀具磨損數據，但由于切削是一個多種因素綜合作用的過程，因此雖然可以控制切削的速度、進給量和背吃刀量等條件，但是由此產生的切削力和切削溫度等因素對刀具磨損的影響程度和影響規律是十分復雜的，很難準確獲得這幾種因素之間的關系，從而得到令人信服的結論。因此，可以采取更能精確控制的試驗方式來研究刀具的摩擦磨損性能。

2 常規摩擦磨損試驗

摩擦磨損試驗是研究材料摩擦學性能的一種常規試驗手段，在研究刀具材料的摩擦磨損性能時，通常是將刀具和工件材料分別做成摩擦副，常見的摩擦副材料有采用球-盤、銷-盤及環-塊等。試驗過程中記錄下摩擦力，推算出摩擦系數，實驗結束后，通過稱重法、體積法等方式計算磨損量。通過改變不同的載荷、摩擦速度及摩擦距離等試驗參數，獲得不同條件下摩擦系數與磨損量，從而系統地表征刀具在不同條件下的摩擦磨損性能。

文獻［10 -11］分別采用了圖2 所示的環-塊摩擦試驗機研究了不同Co 含量和晶粒尺寸的硬質合金刀具材料的摩擦磨損特性，系統分析了Co 含量和WC晶粒大小的變化對硬質合金材料摩擦特性及其機理的影響規律，建立了較為詳盡的硬質合金刀具材料的摩擦磨損圖譜，為硬質合金類刀具的設計提供了參考。

為了證明摩擦試驗的合理性，往往將摩擦試驗的結論與切削試驗進行對照。文獻［12］使用環-塊摩擦試驗機研究了物理氣相沉積方法制得的ZrN 涂層刀具與淬硬鋼對磨時的摩擦磨損特性，獲得了在相應試驗參數范圍內(摩擦速度0.2～1 m/s，載荷20～100 N)ZrN 涂層的摩擦特性變化規律，試驗結果表明ZrN涂層刀具比其基體YG6 硬質合金具備更強的耐磨性，其磨損機理主要為磨粒磨損。此外，通過車削試驗，得到了與摩擦試驗類似的結果，從側面證實了摩擦試驗數據的可靠性。

高速切削是切削加工重要的發展方向，因此，研究刀具材料摩擦特性在高速下的變化規律具有十分重要的現實意義。Kagnaya 等人［13］采用如圖3 所示的高速銷-盤試驗機，研究了硬質合金與AISI1045 鋼在摩擦速度從60 m/min 到600 m/min 之間的摩擦特性的變化規律，試驗時在硬質合金銷上安裝熱電偶，可以實時監測摩擦所產生的溫度。該裝置直觀地表現出隨著滑動摩擦速度的提高，摩擦熱的產生規律及其對硬質合金磨損機理的影響規律。

切削熱/摩擦熱產生的高溫會使刀具材料的磨損機理發生諸如氧化、粘結、擴散等一系列的變化，因此在研究刀具材料在高溫下的摩擦特性也是研究切削摩擦的一個重要方面。通過在普通摩擦試驗機外增加加熱裝置，是研究高溫摩擦常用的方法，如圖4 所示。該裝置采用銷-盤摩擦副，將鋼盤放在封閉腔內，硬質合金銷子放在特殊夾具內，深入封閉腔中，利用加熱模塊對密閉腔進行加熱，Yang 等人［14］采用該裝置研究了WC-Co 硬質合金在室溫至600 ℃的摩擦磨損特性，重點分析了溫度變化對硬質合金高溫摩擦系數及磨損率的變化規律。

文獻［15 -17］采用UMT -2 高溫摩擦磨損試驗機進行了硬質合金(200～600 ℃)、Al2O3/TiC 陶瓷(200～800℃)及PCD 刀具(200～700 ℃)的高溫摩擦磨損特性的研究，獲得了摩擦系數、磨損量隨著溫度等參數的變化規律，并通過白光干涉儀、掃描電鏡、X 射線衍射儀器等輔助工具，研究了磨損形貌的演變及氧化產物的產生過程，揭示了這幾種典型刀具材料的磨損機理隨環境溫度的變化規律。

可見，通過摩擦試驗的方法，可以在一定范圍內精確控制摩擦試驗的速度、載荷等條件，建立系統的摩擦磨損圖譜。同時隨著高速、高溫摩擦試驗機的發展，可以更為精確地模擬刀具和工件材料之間的摩擦過程，設計出更為接近切削加工實際的摩擦試驗，從而更為準確地分析刀具材料地在不同環境條件下的耐磨性能及其在切削過程中的損壞規律和磨損機理。

本項目主要需要建立的數據庫包括用戶類型庫、讀者積分庫、薦閱書目庫、閱讀闖關試題組庫、閱讀闖關試題數據庫等等，分別用于存儲用戶信息、讀者積分信息、推薦書目信息以及閱讀闖關試題信息等。

3 特殊摩擦磨損試驗

切削中的摩擦現象具有高溫、高壓以及刀具始終與新鮮表面接觸等特點，對于常見的摩擦試驗機來說實現高溫、高壓相對比較容易，但摩擦副之間往往是固定位置的反復摩擦，與所謂“新鮮表面”接觸方式不同。因此，許多研究者針對切削中摩擦現象的特點，設計了專門用于研究切削摩擦現象的試驗裝置。

最為常見的方法是對常規機床進行改造。Yang［18-19］采用在CNC 機床上設計出了銷子可移動的銷-盤摩擦副，如圖5a 所示，以低碳鋼、高碳鋼和淬硬工具鋼分別做成摩擦盤，隨機床主軸轉動，硬質合金刀具作為銷材料固定在特制的夾具中，在主軸轉動的同時自身可以進行滑動，這樣就使得刀具材料始終與新鮮的表面接觸。對比試驗中發現，這種摩擦副比相同參數下銷子固定時的磨損率有所上升，其主要原因與在摩擦中產生的加工硬化現象有關。山東大學的潘永智［20］等人，在CA6140 車床上，用如圖5b 所示的實驗裝置，采用“以磨代車”的方式，研究了WC -12Co 超細晶粒硬質合金與7050 -T7451 鋁合金的高速摩擦磨損性能，獲得了摩擦系數和摩擦熱隨試驗參數的變化規律，分析了超細晶粒的硬質合金在鋁合金加工中主要的磨損機理和磨損規律。該實驗裝置可以獲得較高的滑動速度(700 m/min)和較大的法向載荷(500 N)，較為接近鋁合金的加工工況。

為了最為貼近切削實際，尤其是保證刀具材料始終與“新鮮”的工件表面接觸，Hedenqvist［21-22］提出了圖6a 所示模型，該模型安裝在車床上，首先對工件B的外表面進行加工，然后用表面有PVD 涂層圓筒A 與B 的外表面進行摩擦，同時工件A 沿著B 軸線方向運動，達到始終與新鮮表面接觸的目的。該裝置的摩擦速度可以達到3 m/min，但是系統的壓力較小，只有15 MPa，遠低于普通切削加工中接觸應力的情況。

Olsson［23］等人設計了如圖6b 所示的裝置，并進行了高速鋼與AISI4340 高強度鋼的摩擦實驗。首先刀具對工件進行加工，而高速鋼材料制成的銷緊跟著刀具與剛加工過的新鮮表面進行摩擦，試驗發現使用這種改進型的摩擦試驗機獲得的磨損特性比改進前更接近于切削過程的磨損特性，刀具磨損機理的變化規律與實際車削過程較為一致。但是由于銷與加工表面之間接觸面積較大，因此摩擦副之間的接觸應力只有15～25 MPa 左右，與實際接觸應力差距明顯。

Zemzemi［24-25］等人使用了類似的系統進行AISI4142 鋼與TiN 涂層刀具的摩擦實驗，如圖6c 所示，將工件材料做成圓筒，而硬質合金材料制成的銷子緊跟著切削刀具與新加工產生的表面進行摩擦。由于銷子的頂端是半球形，因此該系統可以到達較高的接觸應力(3 GPa)和速度(400 m/min)，但是系統的穩定性較差，試驗維持的時間只有10 s 左右，而且試樣的制造較為繁瑣和昂貴。

J.Rech［26-28］等人設計了圖7 所示裝置，使用刀具對工件外表面進行車削，隨后在刀架的另一側安裝由刀具材料做成的銷子并以一定的正壓力與工件外表面接觸，銷子的頂端為半球形，該裝置可以達到的摩擦速度為50～200 m/min，摩擦接觸應力為1～3 GPa。該裝置進行了TiN 涂層分別與AISI316L 和AISI4142兩種材料的摩擦磨損試驗，通過實驗獲得了較為接近實際的刀具-切屑-工件之間的摩擦系數，并將之應用于有限元分析中，建立了摩擦系數隨速度、壓強和溫度變化的摩擦學模型。

可見，上述專門為研究切削刀具的磨損而設計的試驗裝置，從工作原理上更接近于切削摩擦的實際情況，但是設備的穩定性有所欠缺，且試驗所用試樣的準備過程比較繁瑣，需要進一步完善。

4 結語

切削刀具摩擦特性的研究方法對新型刀具材料的開發、刀具與工件之間匹配性的研究起到重要的作用。目前資料可查的研究方法各有側重點，主要針對某一方面的問題，對于這一研究領域筆者認為可以在以下方向進行發展:

首先，新型試驗設備的開發。目前的試驗設備大多為了重點研究某一方面的問題而設計，且往往在試驗時間、試驗參數的控制或者試樣的制備上存在難以克服的缺陷，因此需要設計原理更貼近切削實際，穩定性更高的試驗設備。嚴重影響了試驗數據的一般性和可靠性。

其次，系統開展常見刀具材料摩擦學特性的研究。目前的工作往往只針對某種特定的刀具-工件的配合，有必要將典型的刀具與工件材料的配副進行綜合評價，建立一套系統的刀具-工件的摩擦學圖譜。

最后，切削摩擦學理論的建立。目前對切削摩擦的研究尚集中在試驗階段，因此有必要在以后的工作中將摩擦試驗所得的數據與切削過程的數據建立有機的聯系，真正實現通過摩擦學試驗指導刀具選擇與切削加工。

［1］陳日曜.金屬切削原理［M］.2 版.北京:機械工業出版社，2002.

［2］周澤華.金屬切削理論［M］.北京:機械工業出版社，1992.

［3］Gekonde H O，Subramanian S V.Tribology of tool-chip interface and tool wear mechanisms［J］.Surface and Coating Technology，2002，149(2 -3):151 -160.

［4］章宗成.切削摩擦學特點與切削工具損傷分類及術語探［J］.東華大學學報，2005，2(31):105 -109.

［5］Ai Xing，Zhao Jun，Liu Zhanqiang，et al.Research and development of high speed cutting tribology［J］.Key Engineering Materials，2006，315-316:401 -405.

［6］Dudzinski D，Devillez A，Moufki A，et al.A review of developments towards dry and high speed machining of Inconel 718 alloy［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2004，44(4):439-456.

［7］Deng Jianxin，Song Wenlong，Zhang Hui.Design，fabrication and properties of a self-lubricated tool in dry cutting［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2009，49(1):66 -72.

［8］Deng Jianxin，Liu Jianhua，Zhao Jinlong，et al.Wear mechanisms of PVD ZrN coated tools in machining［J］.International Journal of Refractory Metals and Hard Materials，2008，26(3):164 -172.

［9］Song Wenlong，Deng Jianxin，Zhang Hui.Performance of a cemented carbide self-lubricating tool embedded with MoS2solid lubricants in dry machining［J］.Journal of Manufacture Process，2011，13(1):8 -15.

［10］Saito H，Iwabuchi A，Shimizu T.Effects of Co content and WC grain size on wear of WC cemented carbide［J］.Wear，2006，261(2):126-132.

［11］Pirso J，Letunoves S，Viljus M.Friction and wear behavior of cemented carbides［J］.Wear，2004，257(3-4):257-265.

［12］Deng Jianxin，Liu Jianhua，Zhao Jinlong，et al.Friction and wear behaviors of the PVD ZrN coated carbide in sliding wear tests and in machining processes［J］.Wear，2008，264(3 -4):298 -307.

［13］Kagnaya T，Boher C，Lambert L.Wear mechanisms of WC -Co cutting tools from high -speed tribological tests［J］.Wear，2009，267:890 -897.

［14］Young L J.Wear coefficient of tungsten carbide against hot-work tool steel disc with two different pin settings［J］.Wear，2004，257(5-6):481-495.

［15］Deng Jianxin，Zhang Hui，Wu Ze.Friction and wear behaviors of WC/Co cemented carbide tool materials with different WC grain sizes at temperatures up to 600℃［J］.International Journal of Refractory Metal and Hard Materials，2012，31:196 -204.

［16］Deng Jianxin，Zhang Hui，Wu Ze，et al.Unlubricated friction and wear behaviors of Al2O3/TiC ceramic cutting tool materials from high temperature tribological tests［J］.International Journal of Refractory Metal and Hard Materials，2012，35:17 -26.

［17］Deng Jianxin，Zhang Hui，Wu Ze.Friction and wear behavior of polycrystalline diamond at temperatures up to 700 ℃［J］.International Journal of Refractory Metal and Hard Materials，2011，29:631 -638.

［18］Yang L J.Pin-on -disc wear testing of tungsten carbide with a new moving pin technique［J］.Wear，1999，225 -229:557 -562.

［19］Yang L J.Determination of the wear coefficient of tungsten carbide by a turning operation［J］.Wear，2001，250(1 -12):366 -375.

［20］潘永智，艾興，趙軍，等.超細晶粒硬質合金的高速摩擦磨損特性研究［J］.摩擦學學報，2008，28(1):78 -82.

［21］Hedenqvist P，Olsson M.Sliding wear testing of coated cutting tool materials［J］.Tribology International，1991，23(3):143 -150.

［22］Hogmark S，Hedenqvist P，Jacobson S.Tribological properties of thin hard coatings:demands and evaluation［J］.Surface Coating Technology，1997，90(3):247 -257.

［23］Olsson M，Soderberg S，Jacobson S，et al.Simulation of cutting tool wear by a modified pin-on-disc test［J］.International Journal of Machine Tool and Manufacture，1989，29(3):370 -390.

［24］Zemzemi F，Bensalem W，Rech J，et al.New tribometer designed for the characterisation of the friction properties at the tool/chip/workpiece interfaces in machining［J］.Tribotest，2008，14(1):11 -25.

［25］Zemzemi F，Rech J，Salem W B，et al.Development of a friction model for the tool– chip– workpiece interface during dry machining of AISI4142 steel with TiN coated carbide cutting tools［J］.International Journal for Machining and Machinability of Materials，2007，2 (3 -4):361 -367.

［26］Valiorgue F，Rech J，Hamdi H，et al.Modelling of friction phenomena in material removal processes［J］.Journal of Material Processing Technology，2008，201(1 -3):450 -453.

［27］Bonnet C，Valiorgue F，Rech J，et al.Identification of a friction model-Application to the context of dry cutting of an AISI316L austenitic stainless steel with a TiN coated carbide tool［J］.International Journal of Machine Tools ＆ Manufacture，2008，48:1211 -1223.

［28］Zemzemi F，Rech J，Salem W B，et al.Identification of a friction model at tool/chip/workpiece interfaces in dry machining of AISI4142 treated steels［J］.Journal of Materials Processing Technology，2009，209(8):3978 -3990.