液體輔助激光加工織構及表面摩擦特性研究

黃珂， 楊發展， 扈偉昊， 林云龍， 楊宇， 劉朝偉

（1.青島理工大學機械與汽車工程學院， 山東青島 266000； 2.工業流體節能與污染控制教育部重點實驗室， 山東青島 266000）

0 前言

刀具磨損是加工行業面臨的一大難題， 在切削加工鈦合金等難加工材料的過程中， 刀具承受著巨大載荷， 尤其是刀尖處的集中載荷， 隨著加工區刀具表面溫度急速上升， 極易引起刀具和加工材料表面變形，影響加工材料的表面質量和精度， 導致刀具快速磨損， 使用壽命急劇縮短［1］。 在切削中， 通過切削液的冷卻和潤滑作用弱化接觸界面間的摩擦接觸強度［2］，但是在高速切削過程中， 刀具與工件緊密接觸， 切削液難以進入加工區域， 更難形成潤滑油膜， 導致切削液冷卻和潤滑作用顯著降低。 同時， 切削液中的有害物質會對環境和作業人員造成污染和損害。 為了減少切削液的使用， 表面織構技術被提出并迅速發展，為改善摩擦副表面的摩擦學性能提供了新的途徑。 國內外學者研究表明， 在刀具表面設計并制備特定的微小結構可以有效降低刀具磨損［3］。 目前刀具表面織構主要通過激光加工法、 電火花加工法、 電解加工法、超聲波加工法等來實現。 其中， 激光加工因加工精度高、 污染小、 適用范圍廣等優點備受青睞［4］。

WU 等［5］發現激光加工織構刀具可以有效降低切削溫度、 主切削力、 切削抗力和實際刀屑接觸長度，延長了刀具使用壽命， 在未來加工操作中具有重要的應用前景。 張娜等人［6－7］通過實驗及仿真分析， 發現硬質合金表面的織構化改善了應力分布和應力集中，減小了摩擦副之間的摩擦， 可以有效解決刀具的磨損等問題。 但是， 激光加工技術以激光為熱源， 激光束具有極高的能量密度和方向性， 加工時將聚焦的激光束照射到刀具表面， 當激光能量密度達到材料熱熔閾值時， 材料將急劇熔化、 汽化， 產生強烈的沖擊濺射［8］。 濺射的材料在空氣中快速冷卻， 重新凝固在加工區域周圍形成熔融物和重鑄層， 這一現象將降低織構加工質量。 常尚文等［9］研究了激光切割Al2O3陶瓷/不銹鋼時形成的重鑄層表面微觀形貌及晶體結構，分析了重鑄層微觀組織的形成機制， 發現激光瞬態熱作用及氣體快速冷卻作用是重鑄層生成的根源。 劉暢等人［10］在激光加工高體積分數碳化硅顆粒增強鋁基復合材料時， 發現重鑄層呈月牙狀形貌特征且表面存在多種裂紋， 同時分析了重鑄層及裂紋的形成機制。

為了解決上述問題， 研究者提出了液相輔助激光加工這一新工藝， 在工件表面覆蓋輔助液體， 加工時激光和液體相互反應， 在激光脈沖后的短時間內發生強耦合作用， 形成獨特的微/納米結構［11］， 這一手段可以有效緩解加工過程中的熱效應及熔融物重新冷卻這一問題。 龍芋宏等［12］通過在空氣和水介質中對單晶體硅片進行激光刻蝕， 發現水輔助激光加工時， 濺射的熔融物更容易排出， 提高了工件的表面質量， 而且加快了刻蝕速率。 DELL'AGLIO 等［13］采用不同的時間分辨診斷技術研究了金屬納米粒子在空化泡中的運輸和擴散， 在液相輔助激光加工過程中， 材料接觸激光束后發生熔化和汽化， 同時工件表面的液體產生氣泡，將濺射出來的材料帶離工件表面［14］， 可以有效改善熔融物重鑄現象， 抑制毛刺的產生， 提高表面加工質量。

上述研究表明液體的存在不僅可以冷卻加工間隙， 極大地減小熱影響區， 降低材料熱變形和熱損傷， 還可以帶離熔融物， 減少毛刺及重鑄層的生成，實現高質量、 高效率加工。 通過查閱大量的文獻發現， 目前將液體輔助加工技術應用到金屬表面制備織構的研究較少。 為此， 本文作者通過液體輔助激光加工技術得到YG6 硬質合金刀具織構表面， 并對其摩擦特性進行分析， 探究液體輔助激光加工織構表面的摩擦特性以及在減摩降磨中的作用， 對推進表面織構激光加工技術的發展、 豐富表面織構形貌類型均具有重要的意義。

1 試驗部分

1.1 織構制備及激光加工工藝

刀具材料為YG6 硬質合金（株洲鉆石切削刀具股份有限公司生產）， 其組成成分及物理特性見表1。

表1 YG6 刀具材料特性Tab.1 YG6 tool material characteristics

刀具尺寸為16 mm×16 mm×4.5 mm， 在加工織構之前， 將刀具前刀面進行拋光處理， 去除刀具表面劃痕。 將拋光后的刀具放入超聲波清洗機中， 加入無水乙醇沒過刀具， 清洗10 ～15 min 去除刀具表面的污漬， 清洗完成后取出并放置自然風干。 分別在空氣介質和液體環境下， 采用IPG 納秒激光器在拋光后的刀具表面加工間隔為0.2 mm 的直線溝槽織構， 輔助液體選用去離子水， 激光參數設置為功率65 W， 掃描速度350 mm/s， 掃描次數160 次， 加工示意如圖1所示。 激 光 器 型 號 為YLPN?1?100?200?R， 波 長 為1 064 nm、 脈沖寬度為100 ns、 頻率為20 kHz， 其基本參數見表2。 刀具初始及加工后的表面形貌由激光共聚焦顯微鏡（VK?X1000 系列） 觀察獲得。

圖1 激光加工直線溝槽織構示意Fig.1 Schematic of laser processing linear groove texture：（a） dry laser processing； （b） liquid－assisted laser processing

表2 激光器基本參數Tab.2 Basic parameters of laser

1.2 織構刀具表面磨損性能測試

選用UMT 摩擦磨損試驗儀進行摩擦磨損試驗，對偶球為TC4 鈦合金球， 潤滑劑選用廣州止境化工技術有限公司生產的ZJ?846 濃縮型切削液， 切削液的運動黏度（20 ℃） 為10 mm2/s。 刀具固定在底盤專用夾具上， 鈦合金球固定在上端機器的夾具上， 如圖2 所示。 試驗條件為： 載荷6 N， 直線往復行程6 mm， 滑動速度24 mm/s， 摩擦時間1 800 s。 加載作用力垂直于刀具的表面， 方向與織構方向垂直。 實驗前， 在硬質合金試樣表面均勻覆蓋一層切削液， 以確保摩擦接觸區充分潤滑， 每組試驗重復3 次， 取平均值作為試驗結果。 織構磨損形貌由DSX510 型體視顯微鏡（OLYMPUS） 觀察獲得。

圖2 摩擦磨損示意Fig.2 Schematic of friction and wear

1.3 模型設計及仿真方法

基于N－S 方程的CFD 方法對試驗進行模擬仿真，分析織構表面對摩擦學性能的影響。 如圖3 所示， 取周期性分布的矩形區域作為單元區域進行分析， 單元區域長度為L， 在單元區域內摩擦副構件間油膜厚度為

圖3 直線溝槽織構模型示意Fig.3 Schematic of linear groove texture model： （a） texture the upper surface of the cutter； （b） friction pair

式中：h0為最小油膜厚度；hp為摩擦副兩構件任意一處油膜厚度；h為織構深度；Ac為非織構區域；At為織構區域。

織構試樣表面潤滑液的平均壓力可在一定程度上反映織構的承載能力。 為了進一步衡量流體動壓潤滑狀態下表面織構改善接觸表面摩擦學特性的作用［15］，以潤滑油膜平均壓力pz作為油膜承載能力大小的指標，pz與織構參數的關系如式（2） 所示：

式中：p（x，y）為點（x，y） 處的壓力值。

對油膜平均壓力與織構參數進行模擬仿真分析，模擬假設條件為穩態、 不可壓、 定溫、 層流， 最小油膜厚度h0＝10 μm， 織構深度h＝50 μm， 織構寬度w＝100 μm， 間隔為200 μm， ZJ?846 切削液密度857 kg/m3， 室溫下動態黏度0.457 2 Pa·s， 摩擦副上下表面相對運動速率為0.02 m/s［16］。 通過ABAQUS 構建模型并劃分網格后進行仿真運算。

2 結果及分析

2.1 表面織構形貌分析

直線溝槽織構形貌如圖4 所示， 在空氣介質中加工所得織構寬度為62.723 μm， 深度為53.592 μm，通過高功率激光束照射材料表面吸收能量后溫度迅速升高， 隨后發生熔化、 蒸發， 在硬質合金表面形成高溫高壓等離子體， 等離子體爆炸時帶走結構表面材料， 從而形成所需的表面結構。 融化和濺射的硬質合金材料在空氣中無法快速驅離形成大量熔融物， 冷卻后堆積在溝槽底部及兩側， 形成毛刺和重鑄層。 同時過高的溫度在去除材料的過程中會帶來熱損傷等問題［17］， 在 織 構 兩 側 產 生 明 顯 的 熱 影 響 區 ［圖4 （a）］， 降低表面織構的加工質量。 將硬質合金浸沒在一定厚度的液體中， 加工所得織構寬度為167.034 μm， 深度為9.338 μm， 液體在激光作用下生成氣泡， 氣泡塌縮在硬質合金界面附近產生高速壁向液體射流， 將熔融物帶離加工區域［18］， 減少重鑄現象， 同時氣泡對激光光束起到散射作用， 使激光光束能量分布均衡， 所得表面的微凸峰及凹谷分布更加均勻。 但是水下加工過程中的表面起伏會引起激光束的明顯偏轉和反射， 導致溝槽幾何形狀的不連續和不均勻［圖4 （b） ］。 同時激光束穿過水層到達工件表面時會發生吸收和折射， 到達工件表面的激光能量減少， 使加工所得織構寬度變大， 深度變小。 在熱量傳輸速度上， 液體的傳導性優于空氣［19］， 激光加工過程中過多的熱量被水吸收， 加工區域被冷卻， 減少了熱影響區的出現。

圖4 表面織構形貌Fig.4 Surface texture morphology： （a） dry laser processing；（b） liquid－assisted laser processing

2.2 摩擦磨損結果與仿真結果分析

圖5 所示為無織構刀具、 干式激光加工織構刀具和液體輔助激光加工織構刀具表面在切削液潤滑條件下的摩擦因數曲線。 可以看出： 有織構的刀具表面摩擦因數均小于無織構刀具表面， 無織構刀具的摩擦因數在0.5～0.65 之間變化， 整個過程中摩擦因數較大且波動劇烈， 說明無織構刀具在切削液潤滑下的摩擦性能較差； 干式激光加工織構刀具的摩擦因數在0.25～0.3 之間， 相對于無織構刀具摩擦因數降低了50.8%； 液體輔助激光加工織構刀具摩擦因數最小，僅有0.12 左右， 相對于無織構刀具摩擦因數降低了78.2%且最為平穩， 表現出最好的減摩效果。

圖5 無織構刀具及不同加工工藝織構刀具摩擦因數曲線Fig.5 Curves of friction coefficient of textureless tools and textured tools with different processing technologies

圖6 所示為無織構刀具、 干式激光加工織構刀具和液體輔助激光加工織構刀具與鈦合金球在切削液潤滑條件下摩擦1 800 s 后的表面磨損形貌。 可以看出，無織構刀具［圖6 （a） ］ 表面的磨損區域很寬且磨痕較深， 附著了許多黑色黏結物， 說明發生了嚴重的黏 著 磨 損 和 疲 勞 磨 損［20］。 TC4 鈦 合 金 球 硬 度（30HRC） 明顯低于YG6 硬質合金刀具（89.5HRA），磨損區域寬說明鈦合金球磨損嚴重， 摩擦副接觸面積大說明發生了嚴重的黏著磨損和疲勞磨損。 織構刀具表面磨痕均出現不同程度的減輕， 說明在刀具表面加工織構可以起到一定的抗磨作用。 干式激光加工織構刀具［圖6 （b） ］表面的磨損區域較窄， 分布不均且磨痕深度較大， 這是因為激光加工表面存在的熔融物微凸起較為集中， 摩擦時對鈦合金球產生嚴重刮擦形成磨屑， 損壞的表面進一步與磨屑顆粒接觸， 造成硬質合金刀具表面磨損不均。 液體輔助激光加工織構刀具［圖6 （c） ］ 表面的磨痕寬度介于無織構刀具［圖6 （a） ］ 和干式激光加工織構刀具［圖6 （b）］之間， 磨痕分布均勻且深度最淺， 表現出最好的減摩抗磨效果。 液體輔助激光加工過程中， 液體的存在可以減少激光熱影響區域， 產生空化泡帶離部分濺射出來的硬質合金材料， 減少熔融物以及重鑄層的生成，獲得高質量織構表面， 達到最優的減摩抗磨效果。

圖6 刀具表面磨損形貌Fig.6 Tool surface wear morphology： （a） textureless tools；（b） laser processing linear texture tool； （c） liquidassisted laser processing linear texture tool

表面織構化和流體潤滑耦合作用是改善摩擦學性能的重要手段， 摩擦副相對運動時， 織構凹坑與運動表面之間形成發散楔和收斂楔， 發散楔處產生氣穴使最低負壓值恒定， 而收斂楔處則會產生正壓力［21－22］，存在的壓力差使摩擦副之間幾乎不接觸， 從而產生流體動壓潤滑， 達到增加油膜承載力和減小摩擦磨損的效果。 另一方面， 在摩擦副兩構件潤滑摩擦過程中，摩擦產生的磨屑會隨著切削液的流動進入到織構內，使得加工工件表面磨屑量減少。 磨屑進入到溝槽之后， 溝槽中儲存的切削液會被擠壓到表面上， 在接觸表面形成連續的潤滑膜， 起到持續潤滑作用［23］。

由圖7 （a） 可知： 在織構單元表面分布了正、負壓區域， 潤滑油從左向右流動， 到達織構區域時空間變大， 形成發散間隙， 潤滑油膜壓力減小出現負壓， 壓力減小到極限值后會導致空穴現象的產生［24－25］。 潤滑油從織構處進入到無織構區域時空間急劇變小， 形成收斂間隙， 使得壓力增大。 從圖7 （b）可以看出： 油膜承載能力還與織構深度有關，當織構深度較大時， 凹槽底部的切削液出現回流現象， 進入收斂間隙的潤滑油減少， 楔形效應減弱， 油膜承載能力變小。 平面摩擦副中沒有發散和收斂間隙， 無法產生楔形效應， 兩相對運動表面之間的潤滑油膜沒有流體動壓承載能力。

3 結論

為改善激光加工織構表面特征， 優化并降低激光加工熱效應對YG6 硬質合金刀具表面規則織構形貌及熔融物重鑄現象， 文中利用液體輔助激光加工技術制備出更高質量的表面織構， 通過對織構形貌及摩擦因數的分析得出結論如下：

相同激光參數下干式激光加工所得織構刀具表面有較多熔融物且分布集中， 出現了明顯的熱影響區，液體輔助激光加工所得織構無明顯熔融物和熱影響區。

在潤滑摩擦狀態下， 織構刀具均表現出較好的減摩效果。 無織構刀具摩擦因數較大且波動劇烈， 磨痕寬且深。 干式激光加工織構刀具摩擦因數次之， 磨痕最窄、 深， 且分布不均勻。 液體輔助激光加工織構刀具摩擦因數最小且最為平穩， 相對于無織構刀具的摩擦因數降低78.2%， 磨痕寬度介于無織構刀具和干式激光加工織構刀具之間， 磨痕淺說明刀具在液體環境中加工織構可以很好地降低磨損， 提高刀具耐磨性和使用壽命。

織構化表面在摩擦狀態下產生流體動壓潤滑是因為潤滑油通過收斂區域時產生了楔形效應， 使潤滑油膜獲得了承載能力， 平面摩擦副中沒有發散和收斂間隙， 所以無法產生楔形效應， 因此無織構刀具的摩擦因數較大， 磨損嚴重。

液體輔助激光加工織構刀具表現出最好的減摩特性： 一方面在液體環境下可以獲得高質量的織構表面； 另一方面， 相同激光參數下液體輔助激光加工的織構深度較小， 織構內部無潤滑油回流現象產生， 油膜承載能力最強。