微織構刀具研究現狀*

馮新敏 裴 澤 胡景姝 計亞坤

(哈爾濱理工大學 “高效切削及刀具”國家地方聯合工程重點實驗室， 黑龍江 哈爾濱 150080)

隨著制造業的發展，越來越多新要求新理念被提出；在機械制造領域，金屬加工的精密化以及制造過程的綠色化使得對切削刀具的發展和改造不斷進行。近些年來，隨著仿生非光滑表面技術的研究與發展，將仿生減磨表面應用到金屬的切削過程當中，使新型刀具具有較傳統刀具所不具備的新的特性，已經成為新型刀具開發領域的一個重要方向。這種刀具被人們稱為微織構刀具。

所謂表面織構，是指通過電沉積、電火花、激光加工、光刻加工等方法在表面加工出不同幾何參數和分布特征的微凹坑、微溝槽等陣列結構[1](如圖1)。這種加工在刀具前刀面刀-屑摩擦界面的非光滑結構對金屬切削加工產生許多積極作用。

微織構刀具目前還處在研究階段，但其已經展現出許多優秀的特性；諸如良好的減磨性能，刀面的抗粘結性和抗磨損性，加工時可減小切削力，顯著降低切削溫度等等。國內外的相關研究不在少數，美歐日等發達國家和地區相繼開展了研究，國內各高校及科研院所也建立了相關課題。總之，微織構刀具的研究仍然是未來一段時間的重心。本文將從微織構刀具切削性能、加工方式、分布方式、強度以及潤滑等方面進行分析梳理。

1 微織構對切削性能的影響

傳統刀具在切削過程中前刀面與切屑擠壓和摩擦，并產生大量熱量，切削溫度高；這樣的刀片磨損快切削效率低。研究表明微織構刀具在金屬切削加工過程中可以減小刀-屑接觸面摩擦系數，減小摩擦力，降低切削溫度，減小切削力，刀面抗粘結抗磨損等作用，可用于加工難加工金屬[27]，提高刀具切削性能。

1.1 微織構對刀具摩擦和磨損的影響

南京航空航天大學王震等[3]為研究微織構刀具的減磨性能，在WC-Co硬質合金材料表面制作出直徑100 μm、深度20 μm、間距200 μm的微坑陣列，與Ti6Al4V鈦合金構成摩擦副，在微量潤滑條件下進行摩擦磨損實驗；結果顯示微織構刀具對硬質合金表面摩擦性能有改進作用。華南理工大學劉欣等[4]將織構刀具與無織構刀具做對比試驗，對比了兩種刀具的磨損形貌發現無論干切削還是有切削液，微織構刀具的前刀面粘結都明顯少于同條件下的無織構刀具(如圖2)。英國曼徹斯特大學Anis Fatima 與 Paul T. Mativenga[5]在硬質合金車刀的前刀面和后刀面都加工出槽型微織構；并用它在干切削條件下對AISI 4140鋼正交切削實驗。結果顯示，在切削時與無織構刀具相比前后刀面減小摩擦系數17%、 18%；前刀面的粘合接觸面積顯著減小。日本大阪大學Tatsuya Sugihara與 Toshiyuki Enomoto[6]在硬質合金銑刀的前刀面和側刀面加工微織構以研究微織構與刀具耐磨性的關系；分別在濕切削和干切削條件下銑削中碳鋼，與無織構刀具做對比實驗；結果顯示，在濕切削和干切削條件下，平行于切削刃的槽型微織構都能構減小刀面上月牙洼磨損，降低月牙洼磨損的最大深度減小摩擦提高刀具切削性能。Kümmel Johannes 與Braun Daniel等人[7]用激光在硬質合金刀具的前刀面加工微坑微織構和微槽微織構，以降低刀具切削1045鋼時的粘附性，同時增加切削刃的穩定性。

1.2 微織構對切削力的影響

山東大學姜超等[8]在WC硬質合金表面使用AlCrN涂層，然后在已涂層的刀具前刀面加工微槽型微織構；在潤滑液條件下對奧氏體沉淀硬化不銹鋼進行切削實驗，并與同等工況下的無織構刀具做對比；實驗結果表明，在切削力方面微槽織構刀具較無織構刀具有顯著減小；其中軸向力減小10%～15%，徑向力減小8%～15%，主切削力減小10%～20%。切削溫度降低5%～15%，刀-屑摩擦因數減小5%～15%。華南理工大學劉欣、李元元[4]使用WC硬質合金刀具在前刀面加工出平行于主切削刃的微織構槽，微槽深度約80 μm、寬度約40 μm、槽間距100 μm、距離切削刃100 μm，在干切削條件切削Ti6Al4V鈦合金，并與相同的無織構刀具做對比實驗，實驗結果表明表面微織構能夠在一定程度上減小切削力；而使用切削液時能進一步減小微織構刀具切削Ti6Al4V鈦合金的切削力，而切削液對無織構刀具的切削力減小作用有限。北方工業大學徐明剛團隊[9-10]利用DEFORM-3D軟件進行金屬干切削仿真；其刀具材料設定為YG8硬質合金，切削材料設定為606鋁合金，仿真結果顯示微織構刀具在切削過程中切削力和摩擦力都比無織構刀具小，并且進行了實驗加以驗證，實驗結果與仿真結果相符。哈爾濱理工大學楊樹財團隊[11]將微織構應用到球頭銑刀表面，并做出微織構球頭銑刀加工鈦合金的有限元仿真，結果在干切削條件下， 微織構刀具在切削過程中切削力減小 16%， 切削溫度降低 13%， 磨損深度值是普通刀具的25%，可以延長刀具壽命。

1.3 微織構對切削溫度影響

劉欣等[4]發現微織構刀具顯著降低切削溫度，微織構的加入有助于切削熱量更快消散。山東大學鄧建新等[12]在硬質合金刀具添加微織構的基礎上又在刀具中嵌入振蕩熱管；在切削過程中振蕩熱管具有良好的導熱性能而加快切削溫度的導出，并最終實現進一步的降低切削溫度。

此外，山東大學鄧建新團隊[13-15]還將微織構應用在陶瓷刀具上面；研究微織構對陶瓷刀具切削性能的影響。他們使用有限元軟件進行陶瓷刀具對45淬火鋼的切削模擬仿真；得出置入合理微織構參數可以減小切削力，減小摩擦以及切削溫度。并制備出了微織構陶瓷刀具進行實驗，實驗驗證了仿真當中微織構對陶瓷刀具切削性能影響的結果。

2 微織構刀具的加工方式

微織構的加工方法有多種；主要有激光加工、磨削加工、電火花加工、離子束加工等。縱觀近幾年的國內外相關文獻，微織構的加工以激光加工為大多數，磨削加工以及電火花加工偶有提及。微織構目前尚在研究當中，其加工方法沒有標準可依據，一切皆以最終效果為準。

2.1 激光加工微織構

南京航空航天大學蘇永生等[16]用YLP光纖激光器在硬質合金刀具表面加工微織構微坑與微織構微槽，并分別研究了脈沖頻率、輸出功率、離焦量等不同工藝參數對微織構形貌的影響；得到功率的增加微槽寬度和微坑直徑都有增加的趨勢；脈沖頻率的增加微槽寬度和微坑直徑都有減小的趨勢；離焦量對微溝槽底部形貌和質量影較大，當離焦量在-1～-1.4 mm時，在溝槽底部獲得了深度更加均勻和光滑的形貌和質量。該團隊還研究了YLP光纖激光器在在聚晶金剛石刀具表面加工微織構[17]。江蘇大學謝勇[18]使用Nd:YAG固體激光器在WC硬質合金刀具表面加工微織構，研究不同參數對刀具表面微織構的形貌影響。華南理工大學劉欣[4]分別在WC-10Ni3Al硬質合金刀具與YG8硬質合金刀具上用激光加工微織構槽，作對比實驗；實驗采用單因素法，保持其他參數不變對激光器功率進行調整，研究不同激光功率下，微織構的形貌及三維參數；研究可知：對WC-10Ni3Al而言激光功率為10 W時微織構已經開始形成，YG8表面微織構功率為14 W時依然不完整(如圖3)，研究激光功率對微織構寬深比的影響并分析了機理，最終得到兩種刀具在研究范圍內看最優功率，即WC-10Ni3Al的最優功率為14 W時其表面微織構已經完整形成且在實驗功率范圍內的最大寬深比； YG8的功率達到20W時微織構完整且有最大寬深比。長春理工大學于占江等[19]使用激光打標機將打標速度與打標次數作為定量，激光功率作為變量研究在合金刀具上槽寬d、槽深h、脊寬L的尺寸關系，用同樣方法將打標次數設為變量，其他設為定量，研究打標次數與尺寸的關系。

Sasi Roshan與Kanmani Subbu S[20]使用Nd:YAG激光器在硬質合金刀具上加工微坑織構，研究激光參數如波長和注量對單個凹坑尺寸形貌的影響；實驗表明，使用波長355 nm的低注量可以獲得極少飛濺的均勻圓形凹坑。Khan 等人[21]使用激光對合金刀具置入微織構，并研究了參數對微織構的影響。Obikawa[22]用激光在硬質合金刀面加工出多種分布微織構，并在織構表面涂覆類金剛石薄膜。

山東大學鄧建新團隊[14-15，23-25]在Al2O3/TiC 陶瓷刀具上利用激光加工微織構與納織構；他們用Nd:YAG固體激光打標機在刀具表面加工微槽織構，確定電流、掃描速度、頻率次數對織構尺寸的影響，最終確定了一組合理參數：電流18～20 A，掃描速度4～6 mm/s,頻率5～8 kHz,掃描次數1～3次；還用同樣的方法研究加工納織構的激光加工參數，確定能量1.75～2 μJ，速度500～800 μm/s，掃描次數1～3次的最終合理加工參數。廣東工業大學魏昕等[26-27]不僅研究各個激光參數，還使用不同種類的激光設備(紫外激光器與光纖激光器)作對比，確定對微織構尺寸的影響。

2.2 磨削加工微織構

北京理工大學陳碧沖等[28]及華南理工大學謝晉[2]采用磨削加工的方法加工微織構，以V型金剛石砂輪在車刀前刀面上進行微槽加工(如圖4),分析磨削加工的特點；相較與激光加工的方法，這種磨削加工的方法成本較低，加工效率更高，加工出的微織構形貌更平整且光滑，加工質量更高。

2.3 其他形式加工微織構

山東大學宋文龍[27]使用微細電火花加工試驗機在YG8硬質合金刀面上加工出直徑為0.35 mm、深度為1 mm的微孔織構。D Arulkirubakaran[30]采用電火花線切割在硬質合金刀具表面加工出了微槽型織構。英國 Chang W L[1]采用離子束加工技術在微銑刀前刀面分別加工出與主切削刃平行、成45°夾角和垂直的微溝槽刀具，其中微溝槽寬度為 4.5μm，深度為 7.5 μm，間距為 4.5 μm。

3 微織構的分布方式及參數

在目前的研究中，刀具表面加工的微織構多種多樣(如圖5)，綜合來看研究最多的是兩大類：微坑織構、微槽織構。關于微織構的分布方式及形貌參數的研究主要依靠先期的有限元仿真分析，利用仿真得出最優的分布方式及微織構幾何參數，再加工出來做實驗以對仿真結果進行驗證。

山東大學亓婷等[31]提出5種不同形貌微織構：斜紋狀微織構(方向不同兩種)、橢圓狀微織構、網格狀微織構、平行于切削刃條紋狀微織構；和矩形截面、三角形截面兩種微織構截面建立三維模型進行有限元分析，結果顯示：三角型截面刀具在減小應力集中方面好；橢圓狀微織構、平行于條紋狀微織構對切削力有降低作用，由此模擬出兩種形貌微織構最優幾何參數。得到微織構自潤滑刀具可以減小切削力，并降低刀具切削刃上溫度。試驗結果表明:微織構刀具三向切削力較普通車刀均有所減小,橢圓織構刀具各向切削力最小,切削力減小10%～15%，平行織構刀具減小5%～12%。橢圓織構刀具對切削溫度的降低最顯著，較普通車刀降低 5%～15%；平行織構刀具較普通車刀溫度降低 5%～10%。湘潭大學龍遠強[32]在硬質合金刀具上設計出3種微織構類型：圓弧型、箭頭型、星型；截面皆為倒三角形；對其進行了有限元仿真，結果顯示不僅微織構形貌會對刀具性能產生影響，微槽與切削刃距離、微槽之間的間距都會對刀具性能產生影響。北方工業大學徐明剛等[33]用DEFORM-3D軟件模擬YG8硬質合金刀具干切削鋁合金；刀具分為微坑、微槽、無織構3種；仿真得出隨著微織構的加入切削區域應力狀態、切削力和切削溫度都發生改變，如果沒有潤滑，則槽型微織構具有比凹坑微織構更好的散熱性，刀具磨損更小。陳碧沖[28]在硬質合金刀具上設計了3種槽型微織構形貌：平行切削刃槽型、垂直切削刃槽型、二者綜合的交叉槽型，通過有限元仿真，得到在干切削條件下，與無織構刀具相比，平行切削刃槽型和交叉槽型增大了切削力，垂直切削刃槽型減小了切削力，刀具表面溫度也降低。于占江[19]將微織構分為5種形式：微坑陣列型、平行主切削刃槽型、垂直主切削刃槽型、與主切削刃成45°槽型與無織構刀具做對比實驗；使用硬質合金刀具高速微切削304不銹鋼，實驗結果顯示微坑織構和平行于主切削刃微槽織構很大程度上減小刀屑接觸長度和寬度，垂直于主切削刃微槽織構和與主切削刃成45°微槽織構也一定程度減小刀屑接觸區長度，但效果不明顯。另外，4種微織構刀具中微坑陣列織構和平行于主切削刃微槽織構減磨效果較好，平均摩擦因數為0.09，其次是垂直于主切削刃的微槽織構，減摩最差的是與主切削刃成45°的微槽結構。

國外同樣對微織構的分布開展許多研究。Kawasegi N和Sugimori H[34]在硬質合金刀具上加工出微織構槽和納織構槽；并發現溝槽的分布方向對刀具的切削性能有直接影響，溝槽垂直于切屑運動方向的刀具最好。D Arulkirubakaran，V Senthilkumar， S Dinesh[30]在硬質合金刀具上加工不同微織構圖案：平行于切削刃微槽、垂直于切削刃微槽、交叉織構，并分別加工鈦合金；結果顯示相同涂層條件下垂直切削刃紋理刀具對鈦合金的加工效果最好，切削力最小，摩擦系數最小。Varun Sharma、Pulak M Pandey[35]使用正交法，即各組參數交互作用研究紋理圖案尺寸變化對切削力的影響，找出最優的一組參數，使刀具在加工時切削力最小。

劉澤宇[26]分別在Al2O3/TiC 陶瓷刀具上設計了5種微織構形式：放射狀(對磨副方向與微溝槽方向垂直)、同心圓、交叉狀、條紋狀和微坑狀(如圖6)；分別進行摩擦磨損實驗，得到微織構溝槽方向對刀具表面摩擦系數有一定影響,放射狀微織構即微織構溝槽方向垂直于摩擦運動方向時,刀具摩擦系數最小,并且表面未加工區域較為平整,微織構的存在提高了刀具的耐磨性，微織構間距過小或過大均加劇刀具表面的磨損，微織構寬度的增加,刀具表面平均摩擦系數增大,表面磨損情況加劇。馮秀亭[15]專門研究垂直于切屑流動方向且截面為三角形的條紋織構，在Al2O3/TiC 陶瓷刀具上的應用效果；通過有限元仿真發現：織構寬度大到一定程度時會產生二次切削現象；織構寬度較小時切削力也較小，當寬度過大時切削力會超過無織構刀具；織構間距小時刀具切削力也小，因為刀屑接觸區域內作用的織構個數多，摩擦力、切削熱都較低；織構的深度對切削力的影響不大；通過實驗驗證了仿真的結論。

目前的微織構設計無論是微坑織構還是微槽織構都屬于內凹型織構，而外凸型織構研究極少；江蘇大學研究團隊[36-37]創新地利用激光毛化技術，在刀具前刀面加工出微凸體(圖7)；并通過實驗測試刀具切削性能：此刀具擁有較凹型微織構更小的摩擦系數，刀屑接觸面積更小，切削力波動更小，顯示出不錯的切削性能。

4 微織構對刀具強度影響

微織構的置入是否對刀具強度產生影響？如果產生影響將會是什么樣的影響？研究者們利用有限元仿真模擬做了很多研究。

馬小林等[38]用有限元軟件ANSYS/ Workbench分析不同紋理對刀具的影響，包括微坑型織構、凸包型織構、微槽型織構，刀具類型設定為硬質合金刀具；得到微織構放置在切削刀具表面上會對刀具產生一定影響。微坑型織構對刀具影響最大，Vonmiss等效應力增加26.8%，微槽型織構對刀具影響較小Vonmiss應力增加11.2%；3種紋理對刀具尖端變形具有相似影響；綜合來看，微織構對刀具強度影響較小。華中科技大學陳琛[39]研究硬質合金刀具切削鈦合金，設計平行切削刃微槽織構、垂直切削刃微槽織構、微坑織構，與無織構刀具作對比有限元分析，以研究微織構對刀具強度影響 ，微坑的置入對刀片強度的影響最小，具有最好的結構強度，而溝槽的置入雖然對強度的影響較大，但仍然遠小于允許的斷裂極限。因此，微織構的置入對刀片強度有一定影響，但仍然是可行的。Lei S T等人[40]用有限元分析得出微坑織構的置入對刀具強度并無太大影響。

南京航空航天大學戚寶運[41]對微坑和微溝槽陣列結構，通過有限元軟件 ABAQUS 對表面織構刀具的結構強度進行仿真。仿真顯示：微織構的置入在一定程度上增大了刀具內應力；當微織構的布局靠近切削刃時對切削刃的強度產生較大影響，尤其是微溝槽，應該遠離切削刃。馮秀亭[15]用有限元模擬仿真微織構陶瓷刀具切削性能時發現：無織構刀具最大拉應力和最大壓應力位置都在前刀面上，刀尖破損比較嚴重；微織構的置入使得刀具應力集中的位置遠離刀尖，織構間距變化對刀具應力形態影響不大，深度變化對應力分布變化不大，但對最大應力大小影響較大。亓婷[31]通過有限元仿真得出：微織構存在改變了刀具應力分布方式，普通車刀最大應力在刀尖處，微織構刀具最大應力出現在微織構邊緣處，離脆弱的刀尖部位相對較遠，說明刀具前刀面加工微織構有利于減小刀尖圓弧危險點應力集中現象。

5 微織構刀具的潤滑

刀具的潤滑本身具有減磨、降溫、延長刀具壽命的作用，置入微織構的目的與刀具潤滑相似，即也具有減磨降溫增加切削效率的作用。研究表明，相比于普通刀具，微織構刀具在干磨削條件下具有減磨擦、抗磨損的效果，但效果有限；而在潤滑條件下，微織構刀具的特點可以更好地發揮。

戚寶運[42]在YG8硬質合金刀具上加工出微槽織構，槽型方向垂直與切屑流動方向；分別在微量潤滑(MQL)和低溫微量潤滑(CMQL)條件下切削鈦合金與無織構刀具作對比；實驗結果顯示：低溫微量潤滑(CMQL)在平均摩擦系數、切削力和切削溫度3項數據上都是最小，微量潤滑(MQL)次之。文章分析認為微織構刀具潤滑后效果更好的原因是相對于光滑表面，微溝槽表面可以吸附并存儲更多的潤滑油，在刀屑之間形成潤滑膜，在一定程度上再次減小了刀屑之間的直接接觸面積。湘潭大學[43-44]在硬質合金刀具的前刀面加工出微槽型織構，在織構中加入固體潤滑劑MoS2制成微織構自潤滑刀具，使用微織構自潤滑刀具、 微織構刀具以及傳統硬質合金刀具分別對不銹鋼進行干切削試驗， 結果表明在切削力切削溫度抗磨損性上微織構刀具的切削性能較傳統刀具有較大提升，微織構自潤滑刀具較微織構刀具有進一步提升。鄧建新團隊[23-25]研究了陶瓷微織構自潤滑刀具，探究陶瓷刀片在微織構和固體自潤滑雙重作用下的切削性能。

Tatsuya Sugihara與Toshiyuki Enomoto[6]研究硬質合金表面月牙洼磨損時發現：在濕切削條件下，相較于無織構刀具平行切削刃的微織構刀具月牙洼磨損的最大磨損深度明顯減小，從9 μm減小到3 μm；而在干切削條件下，最大深度略微減小；通過比較發現濕切割磨損系數遠小于干切割。Davi Neves和Anselmo Eduardo Diniz[45]先在刀具表面加工微織構，而后涂覆PVD涂層，結果發現，微織構可以使涂層保持時間更長，產生良性作用，從而延長刀具壽命。Kawasegi Noritaka和 Sugimori Hiroshi[46]研究在各種條件下微織構刀具切削鋁合金實驗時發現有切削液條件下織構刀具效果較好，當DLC涂覆以后切削力進一步減小。T Enomoto與T Sugihara[47]發現銑削鋁合金時干切削條件微織構刀具與普通刀具抗粘附性相近，而濕切削條件下微織構刀具具有優異的抗粘附性，可見切削液對織構刀具抗粘附性至關重要。

6 結語

(1)在刀具前刀面置入適當形式的微織構可以減小切削力、減小刀-屑之間摩擦系數、促進斷屑、降低摩擦力、減小切削溫度、增強刀具抗磨損性、抗粘結性，增加刀具使用壽命；微織構作用機理為：微織構置入在前刀面刀-屑接觸區域，通過制造微織構減小了刀-屑接觸面積，進而減小刀-屑之間摩擦力、切削力、刀具粘結也會隨之減弱；切屑卷曲增加，促進斷屑；摩擦減小，刀具磨損隨之減緩。

(2)目前硬質合金刀具和陶瓷刀具微織構的加工方式以激光加工為主，激光加工屬于非接觸加工，可以通過調整加工參數以獲得不同尺寸微織構；但激光加工效率低，成本較高，加工的微織構表面不如磨削光滑整齊；其他加工方法如磨削加工、離子束加工各有優缺點，但研究不多。

(3)微織構的分布在與切屑流動方向垂直時效果最好；微織構的尺寸要適當，過小截面尺寸效果不明顯，過大截面尺寸會引起二次切削起相反作用；三角形截面效果好；微坑織構與微槽織構在不同條件下各有優劣。

(4)微織構會對刀具強度產生一定影響；織構的置入會增加刀具最大應力，但仍遠小于材料的允許的斷裂極限；雖然微織構會增加刀具應力，但隨著微織構的置入，原來在刀尖和切削刃周圍的高應力區域轉移到微織構邊緣區域。總體來說，合理的微織構對刀具強度沒有太大影響。

(5)微織構刀具同樣需要潤滑，潤滑后微織構刀具的切削效果更好；在如今強調綠色加工的情況下，微織構刀具的潤滑研究正向微量潤滑、自潤滑方向發展。