織構刀-屑界面滑移區微通道特性數值研究*

(河南科技學院機電學院 河南新鄉 453003)

金屬切削過程中，刀具切削部分在很大切削力及很高溫度下與切屑和工件發生相對摩擦，致使刀具快速磨損，切削能耗增大，刀具使用壽命降低，工件質量變差，限制了機械加工行業的進一步發展[1-3]。切削液作為改善金屬切削過程、提高加工效率的一種方法，被廣泛用于金屬加工中。研究表明[4-5]，只有切削液滲入到刀-屑界面并形成邊界潤滑膜，其效能才得以充分發揮。由此，國內外學者對切削液滲入刀-屑界面的機制進行了研究。MERCHANT[6]用顯微鏡觀察的方法，發現刀-屑界面存在直徑約為0.2 μm的微通道。CASSIN和BOOTHROYD[7]對影響切削液作用效果的因素進行了研究，得出切削液由刀-屑界面微通道擴散至刀-屑界面之間，并與切屑形成邊界膜，降低刀-屑界面的摩擦。WILLIAMS、TABOR[8-9]通過切削實驗證明，切削液在毛細管力的作用下由微通道進入刀-屑界面，降低了刀-屑界面的摩擦力。韓榮第等[10-11]發現刀-屑界面存在一定的微通道，切削液在毛細管力的作用下進入刀-屑界面之間，并給出切削液鋪展的動力學模型。以上研究均表明切削液是在毛細管力的作用下由微通道進入刀-屑界面之間，刀-屑界面的接觸及微通道分布特性直接決定切削液的滲入效果和使用效率。

近年來，鑒于切削液造成的環境污染加重和加工成本的上升，刀具表面微織構技術被提出，以此改變切削液在刀-屑界面的滲入特性，提高切削液使用效率，改善金屬切削過程。ENOMOTO、SUGIHARA等[12-14]在DLC涂層刀具上加工了微槽陣列，并進行鋁合金切削試驗，研究表明，濕切削條件下，織構刀具的抗黏附特性得到明顯提高。KAWASEGI等[15]研究了微織構方向對刀具切削性能的影響，發現平行主切削刃方向的微織構效果最好，降低了刀具的黏接磨損。KUBIAK等[16]研究發現，微織構對切削液在前刀面上的濕潤性產生影響，使切削液的滲入效果發生改變。KOSHY和TOVEY[17]利用電火花加工技術在刀具前刀面上加工出離散和連續2種類型微織構，研究發現，微織構促進了切削液在刀-屑界面的滲入，改善了刀-屑界面的摩擦狀態。以上研究均表明刀具表面微織構能改善金屬切削過程，促進切削液在刀-屑界面的滲入。

盡管切削液的作用效果及微織構刀具對金屬切削過程的影響研究已經很多，但微織構對刀-屑界面微通道分布及切削液的作用機制等的研究較少，而這對切削液使用效率的提升及微織構刀具的設計都有著重要意義。鑒于刀-屑界面黏結區切削液不能滲入，本文作者建立了滑移區的接觸數值模型，研究了滑移區的微通道分布特性，分析了微織構作用機制，為切削液在刀-屑界面滲入的量化研究及織構刀具的設計提供理論參考。

1 數值模型建立

1.1 粗糙刀具表面數值模型

刀具切削時，切屑在高溫、高壓下沿刀具上表面滑出，由于切屑硬度小于刀具，刀-屑界面微通道形成及分布特性主要取決于刀具上表面。在此將刀具和切屑之間的接觸簡化為粗糙-光滑表面接觸，切屑底面簡化為光滑表面，刀具表面為粗糙表面，其粗糙度為刀-屑界面綜合粗糙度值：

(1)

式中：σ為刀具表面綜合粗糙度，μm；σ1為刀具表面實際粗糙度，μm；σ2為切屑底面實際粗糙度，μm。

刀具表面粗糙度分布取為空間坐標的隨機函數，隨機過程產生的自仿射分形函數采用Gauss分布函數：

(2)

在生成均值0，均方根值σ的正態分布隨機序列后，通過卷積運算把獨立的Gauss隨機序列轉換為數字化的隨機表面，其高斯數字濾波函數為

(3)

式中：T為自相關長度。

刀-屑界面黏結區內實際接觸面積接近名義接觸面積，切削液不能滲入，對切削液使用效率的提升影響不大，文中主要分析滑移區的接觸及微通道分布特性。鑒于刀-屑界面接觸長度一般在0.5～1.5 mm之間，且切削模型多可轉化為平面應變問題[18]，在此將滑移區用正方形模型表征，邊長L取1 mm，網格點數100×100，z方向上平均高度0，均方根值σ設為刀具表面綜合粗糙度0.4 μm。刀具粗糙表面視為各向同性，x、y方向的自相關長度均取1，數值模型如圖1所示。

1.2 微織構數值模型

刀具表面微織構類型較多[12-17]，在此選常用的圓柱微織構作為研究對象?？棙媴等缦拢何⒖棙嬛睆?0 μm，深10 μm，面積密度20%，微織構間距150 μm，微織構孔中心與主、副切削刃的距離為150 μm，數值模型如圖2所示。

圖2 微織構粗糙刀具表面數值模型

1.3 滑移區接觸數值模型

金屬切削過程中，刀-屑界面正應力呈指數形式分布，在切削刃處最大，刀-屑界面分離處為0，且滑移區內刀-屑界面摩擦應力與正應力的比值為常數[19]，可得滑移區內摩擦應力表述形式：

(4)

式中：σ0為刀具切削刃處的正應力，MPa；τ(x)為滑移區內摩擦應力，MPa；μ為滑移區內摩擦因數；x為滑移區內一點到黏結區與滑移區臨界點的距離，mm；l為滑移區長度，mm；ξ為應力分布系數，根據加工條件可為2或3。

忽略犁溝力作用，僅認為摩擦應力由黏結點剪切變形引起，可得滑移區內摩擦應力的另一種表述形式：

(5)

式中：A/A0為滑移區內各點的實際接觸面積與名義接觸面積比；τs為滑移區內黏結點材料的剪切屈服應力，MPa。

由式(4)、(5)得到滑移區內不同點的真實接觸面積與名義接觸面積比：

(6)

在黏結區與滑移區的臨界點處，刀-屑界面實際接觸面積接近于名義接觸面積，即A/A0=1；在刀-屑界面分離處，實際接觸面積等于0，即A/A0=0。代入式(6)得到滑移區內各點的量綱一化長度與接觸面積比關系：

A′=(1-x′)ξ

(7)

式中：A′為刀-屑界面滑移區內各點的接觸面積比；x′為刀-屑界面滑移區內各點的量綱一化長度。

由上述分析可知：在黏結區與滑移區的臨界點處實際接觸面積比為1，空體面積比為0；在刀-屑界面分離處實際接觸面積比為0，空體面積比為1。具體數值如圖3所示。

圖3 滑移區各點量綱一化長度與面積比關系

由于刀具表面為隨機粗糙表面，在不同接觸高度上其接觸面積比不同，利用已生成的粗糙刀具表面數據統計出接觸面積比與刀-屑界面接觸高度的關系，如圖4所示。

圖4 接觸面積比與界面接觸高度關系

得到接觸面積比與界面接觸高度的關系后，根據公式(7)得到滑移區內各點的量綱一化長度與界面接觸高度之間的關系，如圖5所示。

圖5 滑移區量綱一化長度與界面接觸高度關系

1.4 刀-屑界面接觸二值圖像

將粗糙刀具表面高度等分成100份，并得到各點高度值，將粗糙度大于設定高度值的點設為黑色，小于設定高度值的點設為白色，得到不同接觸高度界面的二值圖像，如圖6所示。

圖6 滑移區不同接觸高度的二值圖像(h為界面接觸高度)

2 數值結果及分析

2.1 滑移區微通道分布特性分析

由圖6可以看出：當接觸高度從最低向上移動的過程中，滑移區界面表現出3種不同的宏觀微通道分布特性，分別為：未形成微通道(如圖6(a)、(b)、(c)所示)，微通道形成(如圖6(d)、(e)、(f)所示)及微通道消散(如圖6(g)、(h)、(i)所示)。將未形成微通道和形成微通道的臨界接觸高度值定義為hc1，將形成微通道與微通道消散的臨界接觸高度值定義為hc2。由此可得：當接觸高度小于hc1時，刀-屑界面只存在零散分布的微小空體，不存在微通道，致使切削液無法進入到該區域內形成邊界潤滑層，在此稱為近黏結區；當接觸高度大于hc1小于hc2時，刀-屑界面存在大量的微通道，切削液在毛細管力的作用下由微通道進入刀-屑界面，微通道的連通性及切削液在微通道中的鋪展特性直接決定切削液的使用效果，在此稱為微通道區；當接觸高度大于hc2時，微通道相互連接成為面，微通道近乎消失，切削液可以順利進入刀-屑界面之間，在此稱為近分離區。

由上述分析可知，在近黏結區，由于界面不存在微通道，切削液不能進入刀-屑界面之間，而該區正應力又不足以使界面發生黏結，故以干摩擦為主。處于該區的微織構不能起存儲和增加切削液鋪展的作用，其作用機制可分為2種情況：一是切屑沿刀具表面均勻滑動，切屑材料沒有進入微織構孔內，微織構減小了界面干摩擦面積，降低了摩擦力，起到積極作用；另一種是界面正應力大，切屑溫度高、流動性好，切屑部分材料在壓應力的作用下部分進入到微織構孔內，增大了界面摩擦力，也造成微織構孔被切屑填滿，起相反作用。綜合得出，不管近黏結區微織構處于哪種情況，其潤滑效果均不佳，這與現有研究所得到的微織構在干切削條件下效果不明顯[12,14,17]的結論基本一致。

在近分離區，由于界面連通性非常好，切削液能順利地進入刀-屑界面之間，充滿整個微織構空間，使界面得到更好的潤滑、冷卻，減小了刀具和切屑的黏結，加速了切屑在刀具表面的分離，減小了刀-屑界面接觸長度，這與相關實驗研究的結論[14,17]基本一致。

在微通道區，切削液的使用效果主要由微通道的連通性及切削液在微通道中的鋪展特性這兩個因素決定[8-11]，如果微通道的連通性及切削液在微通道中的鋪展特性好，則切削液的冷卻、潤滑效果好，反之，效果差。微織構在此區的主要作用為增加微通道的連通性和存儲一定的切削液，提高刀-屑界面的潤滑、冷卻效果，改善刀-屑界面摩擦學特性。

由上述分析可知，提高切削液使用效率的潛在空間在微通道區，提高的方法有增大微通道的連通性或提升切削液在微通道中的鋪展特性。

2.2 界面接觸高度閾值分析

逾滲理論是處理強無序和具有隨機幾何結構系統常用的理論方法之一，已廣泛用于物理、化學、生物及社會現象[20-22]。通過逾滲模型可以得到一些物理現象的閾值，對一些隨機無序現象進行定量分析，在此利用逾滲模型確定臨界高度值hc1、hc2。

設滑移區空體面積比隨界面接觸高度變化出現的概率為P，在黏結與滑移區的臨界點處P=0，在刀-屑界面分離處P=1，并隨接觸高度的增加P逐漸增大，當P=Pc時，界面出現貫通通道。刀-屑界面微通道在逾滲模型中看做空體集團，微通道的數量即為空體集團的數量，微通道的長度即為空體集團的相關長度。利用自編Matlab程序計算出不同界面高度上的空體面積比與空體集團數量的統計關系，如圖7所示。可看出：空體集團數量歷經3個變化階段，分別為基本穩定階段、快速增加減少階段、消失階段。在基本穩定階段，空體集團數量很少，說明界面僅存在隨機分布的零散小集團，沒有形成微通道；在快速增加減少階段，空體集團數量歷經急劇增加后又急劇減少，說明空體集團數量很多，并相互連接形成微通道；在消失階段，空體集團數量趨于0，說明空體集團相互連接到一定程度后快速形成面，微通道消失。由此基本確定3種接觸特性區的臨界空體面積比為22%、82%。

圖7 滑移區空體面積比與空體集團數量關系

得到臨界空體面積比后，由圖4所示接觸面積比與界面接觸高度關系，求得界面接觸臨界高度值hc1=-0.095 μm，hc2=0.112 μm，如圖8所示。

圖8 滑移三區面積比與界面接觸高度關系

從而將界面接觸高度分成3個區間：0.462 4～0.112 μm，0.112～-0.095 μm，-0.095～0.473 4 μm，相應為近分離區、微通道區、近黏結區(圖8中對應空體面積比曲線，當對應實際接觸面積比曲線時，將空體面積比對應折算為實體面積比)。

2.3 微通道三特性區長度分析

根據臨界空體面積比及圖3所示滑移區各點無量綱長度與面積比關系，得出近黏結區、微通道區、近分離區所對應的滑移區量綱一化長度范圍，如圖9所示?？梢钥闯觯夯茀^量綱一化長度在0～0.08范圍內時，刀-屑界面特性為近黏結特性；滑移區量綱一化長度在0.08～0.44范圍內時，刀-屑界面特性為微通道特性；滑移區量綱一化長度在0.44～1范圍內時，刀-屑界面特性為近分離特性(與圖9空體面積比曲線對應，對應實際接觸面積比時把空體面積比對應折算為實體面積比)。

圖9 滑移區量綱一化長度與空體面積比關系

由圖8、圖9得到滑移區量綱一化長度與界面接觸高度對應關系，如圖10所示。

圖10 滑移區量綱一化長度與界面接觸高度關系

由圖9、圖10可得：近黏結區占整個滑移區的8%左右，微通道區占36%左右，近分離區占56%左右。表明滑移區主要由微通道區和近分離區組成，其特性受微通道和近分離區影響較大。對提高切屑液使用效率而言，近黏結區和近分離區改變空間較小，微通道區改變空間最大。

2.4 應力分布系數影響分析

金屬切削過程中，刀-屑界面應力分布系數隨加工參數的改變而變化，應力分布系數常取2或3。為得到應力分布系數對金屬切削過程的影響，研究了應力分布系數與滑移區特性的關系，如圖11、圖12所示。

圖11 滑移區量綱一化長度與空體面積比關系

圖12 滑移區量綱一化長度與接觸高度關系

由圖11、圖12可看出：不同應力分布系數下滑移區始終存在3個特性區，表明應力分布系數不會影響接觸特性區的個數；其次，應力分布系數發生改變時，3個特性區的長度相應改變，表明應力分布系數會影響各區的范圍；再者，不同應力分布系數對界面接觸高度閾值及接觸高度范圍沒有影響。產生上述現象的原因為，應力分布系數是刀-屑界面應力分布的參數，指數越小，刀-屑界面的應力降低速度越慢，近黏結區、微通道區范圍增大，近分離區范圍減小，但不影響各區的存在。而臨界接觸高度閾值取決于界面微通道數量，而微通道數量與刀具界面的粗糙度相關，與表面應力分布無關。

3 結論

(1)織構刀-屑界面滑移區依據切削液滲入程度存在3種摩擦特性，在近黏結區，由于不存在切削液滲入的微通道，刀-屑界面以干摩擦為主，微織構的主要作用為降低刀-屑界面摩擦面積；在微通道區，微通道的連通性及切削液在微通道的鋪展特性對切削液的作用效果有重要影響，微織構主要起連接微通道的作用，切削液存在部分谷體內，界面同時存在干摩擦和混合摩擦；在近分離區，微通道消失，微織構主要起存儲切削液的作用，該區以邊界摩擦為主。

(2)逾滲模型可統計出滑移區空體集團數量的變化規律，得到臨界接觸高度閾值hc1及hc2，根據此閾值將滑移區分為3個特性區，得到各區量綱一化長度范圍。

(3)滑移區中3個特性區的長度不同，近黏結區占總滑移區長度的8%左右，微通道區占36%左右，近分離區占56%左右。表明滑移區特性主要由微通道特性和近分離特性決定，其中微通道區對切削液使用效率的提升有重要影響。

(4)刀-屑界面應力分布系數對特性區長度有影響，應力分布系數減小，近黏結區和微通道區長度增大，近分離區長度減小，但不影響特性區的個數和臨界接觸高度閾值。