0 前言

高强度质量比、良好的力学性能和热性能使得铝合金成为汽车和航空航天工业中广泛应用的材料^[1-3]。但在切削成形中，低熔点和高延展性的特性导致切屑遇高温熔化黏结在刀具表面，形成积屑瘤，随着连续切削的进行，反复的黏结和撕裂使得刀具容易发生严重的黏结磨损，影响刀具切削的准确性和使用寿命^[4]。为了解决刀具在此过程中的摩擦磨损问题，提高刀具的切削性能，众多研究人员不断优化刀具结构、表面涂层^[5-6]和润滑冷却技术^[7]。

近年来，刀具表面织构逐渐应用在刀具表面，通过激光烧蚀的方式在刀-屑接触表面构建微米甚至纳米级织构，这些织构在抗黏附和降低摩擦方面具有很大优势。主要机理在于：传输和保留切削液，容纳磨屑和减少刀-屑接触面积等。SHARMA等^[8] 综述了织构表面在摩擦学方面的优势，发现微凹坑或线性沟槽刀具可以减小切削力、摩擦因数和切削温度，延长刀具的使用寿命。DARSHAN等^[9]制备了凹坑织构刀具，与无织构刀具相比，织构刀具减小了切削力和表面磨损，提高了工件表面的质量。通过对切削过程进行热分析发现，织构刀具减少了刀-屑之间的接触长度，改善两接触表面的摩擦状态，促进了切屑的卷曲，从而提高了切削区域的高效传热。符永宏等^[10]在刀具表面上加工出微沟槽，并观察织构刀具切削铝合金材料的效果。研究发现，沟槽的间距越小，沟槽方向与切屑流向夹角越大，织构刀具的性能更佳。AHMED等^[11]对刀具表面沟槽织构的形状（方形、平行、垂直）进行了研究，通过对比发现，不同织构形状对刀具性能影响较大。方形织构刀具切削力、进给力和摩擦系数的最大降幅分别为58%、100%和24%，积屑瘤更少且更稳定，因此综合性能最好。

在刀具表面制备合适的单一织构有助于提升刀具的性能。同时，研究人员也进行了多形貌复合方面的探索。阮鸿雁等^[12]建立了多圆弧和三角形凹坑复合织构的几何模型及流体力学控制方程并进行模拟研究，发现这种复合织构表面的承压能力和表面润滑性较无织构和单一织构更优。SEGU等^[13]加工出了圆形和椭圆形凹坑多尺度织构平面，通过变化滑动速度和织构的深度进行摩擦学测试。研究表明，与无织构平面相比，实现了流体动力润滑，多尺度织构平面得到了更小的摩擦因数，改善了接触表面的摩擦状态。在此基础上，SHARMA等^[14]研究了圆形凹坑和线性沟槽复合织构刀具的切削性能，在织构刀具表面添加了固体润滑剂CaF₂，发现这种自润滑刀具减少了切削力和工件表面粗糙度，改善了切屑的形貌和厚度比。SIJU等^[15] 通过研究发现，与单一织构刀具和无织构刀具相比，合理的织构复合减少了切削力和切屑黏结，延长了刀具的使用寿命，在刀-屑接触的黏结区和滑移区添加不同的织构，以改善刀具切削性能。但不足的是，复合织构布置方案有限。

因此，在刀具表面利用激光织构技术加工凹坑和沟槽，得到多位置配合的复合织构刀具。通过湿切削6061铝合金试验，针对切削力、刀具磨损、切屑形貌和切屑半径进行分析，探究复合织构对刀具抗黏减摩性能的影响，并获得合理的织构复合方案。

1 试验方法

1.1 复合织构分布设计

根据ZOREV提出的前刀面接触模型和正/切应力分布模型可知，刀-屑接触过程中前刀面分为黏结区和滑移区。黏结区法向应力高、速度低，而滑移区则具有相反的特性^[16-17]，因此，在两个区域应该制备不同的织构。综上所述，设计一种凹坑与沟槽复合的织构刀具，凹坑具有良好的抗黏性能，而沟槽可以减少接触面积，引导和传输切削液^[18]。因此在刀-屑接触表面的黏结区加工凹坑织构，在滑移区加工沟槽织构，并通过调整沟槽与主切削刃的夹角（垂直/平行），探索合理的织构组合。

1.2 织构刀具的制备

由于硬质合金刀具具有良好的物理力学性能，广泛地用于金属切削加工中。切削加工试验所采用的刀片型号为TNMA160404TH03硬质合金刀片，其成分及相关性能如表1所示。采用型号为MLPS-3W的皮秒激光器在刀具前刀面加工织构，激光器性能见表2，控制织构与主切削刃保持一定的距离（50～150 μm），避免织构破坏刀具的强度。激光加工参数如下：激光波长1 064nm，功率为9W，频率500kHz，扫描速度为1 200mm/s，加工次数为1，加工方式为阵列加工。根据织构的上下左右位置不同，加工四种复合织构刀具，如图1所示：上下凹坑垂直沟槽复合织构（SXDV）、上下凹坑平行沟槽复合织构（SXDP）、左右凹坑垂直沟槽复合织构（ZYDV）、左右凹坑平行沟槽复合织构 （ZYDP），并加工无织构（NT）、凹坑（DT）和沟槽（PT）作为对照组。

采用超景深显微镜（VHX-2000C）对所加工刀具微织构进行三维测量，结果如图2所示。沟槽以及凹坑的深度在28～30 μm，沟槽宽度大约为40 μm，间距120 μm；凹坑直径为大约为80 μm，间距为160 μm。

1.3 切削试验

切削试验采用型号为CS6140的普通车床（图3），工件为长度150mm、直径30mm的6061铝合金棒。配备的刀柄参数如下：前角 γ_o=6°，后角 α_o=6°，刃倾角 λ_s=−7.2°，主偏角 K_r=93°。刀杆安装架上配有瑞士生产的Kistler 9527B三向测力仪，用来测量刀具切削加工过程中所受到的三向切削力。

切削过程中采用全合成微乳化油以1∶15稀释，用以冷却润滑，具体切削条件以及刀具的相关参数如表3所示。车削后，用扫描电子显微镜（SEM） 观察刀面的磨损形貌以及材料粘着情况，用能量色散X射线光谱学（EDS）测量刀具表面磨损区材料化学成分以及比例。

2 结果与讨论

2.1 切削力

图4 表示在切削速度为120m/min时，不同刀具的切削力分量变化情况。如图4所示，NT刀具的切削力分量均大于其他刀具，并且左右型复合织构刀具的效果更明显，一方面织构的应用减少了刀-屑之间的接触长度/面积，另一方面合适的分区异构缓解了刀-屑间的摩擦，在两者的协同作用下可以减小刀具所受到的切削力。

与NT刀具相比，DT、PT、SXDP、SXDV、 ZYDP和ZYDV刀具的主切削力分别减少了26.4%、 19.9%、25.1%、24.2%、30.7%和27.3%，径向力分别减少了7.3%、18.5%、16.9%、0%、22.6%和11.3%，轴向力分别减少了6.2%、7.7%、3.1%、10.8%、26.2%和30.8%。由此表明，织构刀具有利于降低切削力，且左右型复合织构刀具更有利于切削力的减少，初步验证了ZYDP刀具织构布置的合理性。

复合织构刀具中，不同方向沟槽产生的切削力主要与切屑流动的方向相关，当切屑流经前刀面时，对于平行于主切削刃的沟槽而言，切屑流动方向与其垂直，织构的存在减少了刀-屑间的接触面积，从而降低了切削力；当切屑流经垂直于主切削刃的沟槽织构时，刀-屑间的接触面积变大，切屑运动受到阻碍，由于织构方向跟切屑流动方向小于90°，切屑沿着沟槽方向发生塑性变形，导致较多的切屑材料嵌入在沟槽内部，因此加工需要更大的切削力。

2.2 刀具磨损

刀-屑间的摩擦状态影响切屑的形成和刀具磨损，在该区域由于摩擦，切屑承受高压和高应变，导致温度和刀具磨损率的升高^[19]。利用ImageJ软件对刀-屑之间的黏结面积进行测量，测量结果如图5b所示。从图中可以看出，NT刀具的表面黏结面积为1.092mm²，明显最大。与NT刀具相比，DT、PT、 SXDP、SXDV、ZYDP和ZYDV刀具的黏结面积分别减少了59.8%、52.5%、52.5%、42.5%、63.9%和54.8%，说明织构的引入缓解了刀具与切屑之间的摩擦状态，且ZYDP刀具的抗粘效果最好。接下来，将结合刀具表面形貌和元素分析对不同刀具进行详细分析。

图6 为NT刀具在切削加工5min后，前刀面的磨损情况。由图6b可知，无织构刀具的前刀面出现了大面积连续的材料黏结，主要分为切削刃边缘上工件材料的堆积（BUE）和刀面上的层状黏结 （BUL）。刀面上材料的不断黏结和撕裂，导致大量的黏结层以及划痕。通过对区域A进行元素分析，可以发现出现大量的Al元素，并存在少量的O元素，说明刀具表面除了发生了黏结磨损外，还发生了氧化磨损。在图6c中，随着积屑瘤周期性的堆积以及脱落，刀具切削刃容易出现崩刃和剥落，这是由于车削过程中引起的机械热应力和高温度，产生的大量切削热无法快速传递到外界，刀具主切削刃出现崩刃的现象，露出的刀具基体表面新鲜材料更容易与工件材料发生黏结。

图7 表示DT织构刀具切削加工5min后，前刀面的磨损情况。在前刀面靠近切削刃处发现切屑黏结的现象，特别是靠近主切削刃第一列的凹坑织构，几乎被切削金属材料完全掩埋，黏结面积为0.439mm²。如图7a、7b所示，随着黏结材料的不断堆积撕裂，黏结在刀具前刀面的金属容易带走刀具基体材料，致使刀具表面材料发生剥落。进一步对未被完全黏结的凹坑进行元素分析，发现在凹坑中含有Na、Ca等元素，这些元素只存在于切削液中，表明切削液进入了刀-屑接触区域，可以对两接触表面进行冷却和润滑，因此相比于NT刀具，减少了刀面黏结。从图7c可以发现黏结在刀具切削刃处的金属材料相对于织构区域的黏结材料较为疏松，而在含有织构区域黏结层金属则较为紧密。这是由于微凹坑的存在，与切屑材料之间发生的机械联锁作用，导致黏结材料更加稳定地黏附在刀面上，不易脱落。

图8 表示PT织构刀具切削加工5min后，前刀面的磨损情况。可以发现，PT刀具与无织构刀具的黏结形式明显不同，前刀面上刀-屑黏结的区域大致可以分为三个区域：靠近切削刃边缘的光滑连续黏结区域（区域A）、接近织构区域的连续层状黏结区域（区域B），以及织构区域的离散黏结区域（区域C）；刀尖及切削刃边缘并未出现剥落磨损等现象。刀具前刀面黏结形式的不同，主要跟刀面上的切削温度分布相关，温度越高，黏结越严重，更容易产生大面积连续的黏结。织构的存在增加了刀具前刀面的散热以及与周围气体的对流，加快热量的传递。

图9 和图10表示切削加工5min后，不同复合织构刀具前刀面的黏结磨损情况。在图9a中， SXDP刀具的前刀面上，存在与单一织构类似的离散和连续黏结区域，在刀面靠近主切削刃附近出现体积较大的堆积边（BUE），在刀具的副切削刃靠近刀尖位置发生了崩刃。在SXDV刀面上。在图9b中，所有凹坑织构被工件材料填充，刀面上出现大面积的黏结层，这是因为位于沟槽织构无法将切削液输送到刀-屑黏结区域，致使黏结严重，刀具表面出现材料剥落现象。

在图10a中，ZYDP刀具的前刀面黏结面积为0.394mm²，发生了轻微的黏结磨损。这是因为在刀-屑接触的黏结区域的凹坑织构填充了碎屑，这样减少了切屑在刀具表面的沉积和黏结。在图10b中， ZYDV刀具的刀面材料黏结层主要连续集中在靠近刀尖部分，前面两列沟槽几乎被工件材料填充，刀具的刀尖部分发生严重的磨损，并在前刀面形成较深的月牙洼，刀具加工过程出现的月牙洼磨损以及崩刃现象是由高温和机械载荷引起的，在刀具与切屑界面处产生较高的剪应力和摩擦效应。

将复合刀具的不同沟槽进行EDS元素分析切削液元素的含量，如图11所示，可以发现平行沟槽中切削液的含量大于垂直沟槽，一方面是由于切削液在平行沟槽的湿润性较好，另一方面由于切削过程中垂直沟槽在加工过程中容易发生黏结，切削液更容易沿着平行沟槽流动。因此，ZYDP刀具的黏结磨损更小，抗黏磨损性能更好。

2.3 切屑分析

切屑形貌和尺寸能够有效反映刀-屑间的摩擦状态^[20]。结合切削力和刀具表面磨损的对比，DT刀具比PT刀具表现更优。因此，在复合织构刀具的切屑形貌分析中，仅对单一织构中的DT和NT刀具进行分析。如图12所示，织构刀具加工产生的切屑底部出现了不同程度的微沟槽以及多层材料黏结。在切削过程中，由于刀具表面微织构的“复印效果”，导致了切屑底部微沟槽的出现。与其他刀具相比，ZYDP刀具切屑底部的表面划伤和材料黏结明显减少，因此切削过程更稳定，使得已加工工件表面的形貌和尺寸更精确。

在图12a、12b中，NT刀具产生的切屑底部发现有大量材料黏结形成的层状结构，而对于DT刀具得到的切屑底部存在由于剪切断裂造成的撕裂韧窝，因此切削过程更平稳。在图12c、12d中，上下型复合织构刀具产生的切屑底部发现切屑存在明显的微沟槽区域以及材料撕裂区域，这是织构分区造成的区域形貌的差异，且在材料撕裂区域可以发现其撕裂形式是由工件材料多层转移形成，这与刀具前刀面的材料多层黏结相对应。相比SXDP刀具， SXDV刀具生成的切屑在微沟槽区域可以发现材料黏附，而SXDP刀具切屑沟槽区域则相对光滑。在ZYDV的切屑背部可以看到明显的磨粒磨损以及部分区域被撕裂的现象，这是由于在加工过程中切屑背部材料黏结在刀具表面且发生材料的相互运动撕裂所造成的（图12e、12f）。

相比于其他织构刀具，ZYDP刀具产生的切屑底部更为光滑，侧面反映了ZYDP刀具所加工的工件表面粗糙度更小。

刀-屑界面的摩擦对不同切屑卷曲半径的有着重要的影响，刀-屑间的摩擦越大，产生的切屑卷曲半径就越大^[21]。图13和图14表示不同刀具切削加工所生成的切屑卷曲半径和切屑卷曲形态。NT刀具产生的切屑卷曲半径最大，因此在切削过程产生的摩擦力大于其他织构刀具。织构刀具产生的切屑较短小，避免了切屑缠绕在工件表面，进而影响工件的表面质量。与NT刀具相比，DT、SXDP、SXDV、ZYDP和ZYDV刀具的卷曲半径分别减少了14.6%、6.7%、8.8%、27.4%和12.8%。因此，ZYDP复合织构刀具产生的切屑卷曲半径最小，这是因为这种复合织构在缓解刀-屑间的摩擦方面表现最佳，促进了切屑的卷曲。

通过切屑层金属的厚度值 ac 可以发现，ZYDP织构刀具的切屑厚度变化最小，因此同工况条件下加工形成的剪切角最大，工件材料的去除所需要的切削力最小^[22]，这与前面刀具切削力的分析结果一致。

3 结论

（1）通过微织构刀具对铝合金材料的湿切削试验，结果表明在刀具表面置入复合织构可以有效减少刀具切削力和表面磨损，展现了更好的抗黏性能，有利于延长刀具寿命。

（2）合理的复合织构布置方案对切屑表面黏附和卷曲半径有积极影响。ZYDP刀具可以最大程度地降低刀-屑间的摩擦，减少刀具表面的黏结磨损，且获得的切屑形貌优于其他刀具，切削过程更平稳。

参考文献