摩擦磨損與潤(rùn)滑講解

1、 1.刀具的摩擦磨損 2.刀具摩擦磨損的影響因素 3.自潤(rùn)滑刀具 4.切削加工與刀具技術(shù)的發(fā)展前景 刀具的種類形狀 千奇百怪怎么研 究呢？ 后刀面 切屑流出方向 刀具進(jìn)給方向 前刀面 劇劇烈摩擦烈摩擦 和擠和擠壓，壓， 高溫高溫 刀具磨損：機(jī)械磨損和熱效應(yīng)磨損 刀具磨損經(jīng)常是機(jī)械的、熱的、化學(xué) 的三種作用的綜合結(jié)果 刀具切削示意圖 前刀面月牙洼磨損 后刀面磨損 塑性變形 積屑瘤 磨損形式影響 原因 解決方法 正常 磨損 后刀面磨 損 后刀面磨損過快將導(dǎo)致表 面質(zhì)量變差或超差 刀具材料過軟；切削速 度過高；后角過?。贿M(jìn) 給量太小 選用耐磨性高的刀具材料；降低切削速 度；增大后角；提高進(jìn)給量 前刀

2、面月 牙洼磨損 過度的月牙洼磨損會(huì)引起 切削刃減弱。切削刃后緣 的破損會(huì)導(dǎo)致表面質(zhì)量下 降 刀具材料過軟；切削速 度過高；進(jìn)給量太小 選用耐磨性高的刀具材料；降低切削速 度；降低進(jìn)給量 非正 常磨 損 (破損) 塑性變形 切削刃塌下或后刀面凹陷。 導(dǎo)致切屑控制差和表面質(zhì) 量差。后刀面過度磨損會(huì) 導(dǎo)致刀片破裂 刀具材料過軟；切削速 度過高；切深、進(jìn)給量 太大；切削刃溫度過高 選用耐磨性高的刀具材料；降低切削速 度；減小切深、進(jìn)給量；選用導(dǎo)熱率高 的刀具材料 積屑瘤 積屑瘤引起表面質(zhì)量降低， 積屑瘤脫落時(shí)會(huì)引起切削 刃破損 切削速度低；切削刃不 鋒利 提高切削速度；增大前角；選用親和力 小的刀具材

3、料（涂層硬質(zhì)合金等） 熱裂 垂直于切削刃的細(xì)小裂紋 會(huì)引起刀片崩碎和表面質(zhì) 量降低 由于溫度的變化引起的 選擇能更好地抵抗裂紋擴(kuò)展的韌性更好 的刀具材料。冷卻液應(yīng)供給充足，或根 本不用 刀片破裂 刀片破裂不僅會(huì)損壞刀片， 還會(huì)損壞刀墊和工件。選 擇韌性更好的牌號(hào) 刀具材料太脆；刀片上 負(fù)載過大；刀片槽形過 于薄弱；刀片尺寸太小 選擇韌性更好的刀具材料；降低進(jìn)給和 切削深度；選擇強(qiáng)度更高的槽形，昀好 是單面刀片；選擇更厚更大的刀片 刀具常見的磨損及其產(chǎn)生原因和解決方法 影響刀具磨損的因素很多：材料、刀具幾何角度、涂層、切削用量、切 削液等 刀具材料： 決定刀具切削性能根本 因素。 金剛石涂層金剛

4、石涂層 Si3N4陶瓷陶瓷 Al2O3陶瓷陶瓷 CBN 金剛石金剛石 粉末高速鋼粉末高速鋼 涂層高速鋼涂層高速鋼 超細(xì)粒硬質(zhì)合金超細(xì)粒硬質(zhì)合金 涂層金屬陶瓷涂層金屬陶瓷 金屬陶瓷金屬陶瓷 硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金 涂層硬質(zhì)合涂層硬質(zhì)合金 韌性韌性 硬硬 度度 高速鋼高速鋼 常用刀具材料的硬度與韌性 (刀具材料與工件材料的力學(xué)性能匹配) 刀具材料要求： 1.足夠高強(qiáng)度與韌性 2.足夠的硬度和耐磨性 3.足夠的耐熱性、熱硬 性和較好的傳熱性 物理性能熱導(dǎo)率線脹系數(shù)抗熱震性能耐熱性（溫度） 高 低 PCDHSSHSS PCBN （13001500） PCBNWC基硬質(zhì)合金WC基硬質(zhì)合金 陶瓷 （110012

5、00） WC基硬質(zhì)合金金屬陶瓷Si3N4基陶瓷 金屬陶瓷 （9001100） 金屬陶瓷Al2O3基陶瓷PCBN WC基硬質(zhì)合金 （800900 ）HSSPCBNPCD Si3N4基陶瓷Si3N4基陶瓷金屬陶瓷PCD（700800） Al2O3基陶瓷PCDAl2O3基陶瓷HSS（600700） 化學(xué)性能 與鋼的抗 粘結(jié)溫度 與鎳基合金 的抗粘結(jié)溫度 抗氧化 溫度 對(duì)鋼的 擴(kuò)散強(qiáng)度 對(duì)鈦的 擴(kuò)散強(qiáng)度 材料元素在 鋼中的溶解度 （1027） 高 低 PCBN陶瓷陶瓷PCDAl2O3基陶瓷SiC 陶瓷PCBNPCBNSi3N4基陶瓷PCBNSi3N4基陶瓷 硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金PCBNSiCWC基

6、硬質(zhì)合金 HSSPCDPCDAl2O3基陶瓷Si3N4PCBN HSSHSSPCDTiN TiC Al2O3基陶瓷 刀具材料物理性能比較 (刀具材料與工件材料的 物理性能匹配) 刀具材料化學(xué)性能比較 (刀具材料與工件材料的 化學(xué)性能匹配) 刀具幾何角度的選擇十分重要， 選用的一般性原則： 1. 1.要考慮工件的實(shí)際情要考慮工件的實(shí)際情況況（工工件材料的化學(xué)成分件材料的化學(xué)成分、 物物理機(jī)械性理機(jī)械性能，能，還有毛坯表層情況、工件的形狀、還有毛坯表層情況、工件的形狀、 尺寸、精度和表面質(zhì)量要求等尺寸、精度和表面質(zhì)量要求等。） 2. 2.要考慮刀具材料和刀具結(jié)要考慮刀具材料和刀具結(jié)構(gòu)構(gòu)（要要考慮刀

7、具材料的考慮刀具材料的 化學(xué)成分、物理機(jī)械性化學(xué)成分、物理機(jī)械性能，能，還有刀具的結(jié)構(gòu)型式，還有刀具的結(jié)構(gòu)型式， 是整體式、焊接式或機(jī)夾式等是整體式、焊接式或機(jī)夾式等。） 3. 3.要注意各個(gè)幾何參數(shù)之間的聯(lián)系要注意各個(gè)幾何參數(shù)之間的聯(lián)系（刀具的刃形、刃區(qū)、刀面和角度之間是相刀具的刃形、刃區(qū)、刀面和角度之間是相 互聯(lián)系的，應(yīng)該綜合起來(lái)考慮它們之間的作用與影響，分別確定其合理數(shù)互聯(lián)系的，應(yīng)該綜合起來(lái)考慮它們之間的作用與影響，分別確定其合理數(shù) 值。值。） 4. 4.要考慮具體的加工條件要考慮具體的加工條件 ( (選擇合理幾何參數(shù)，也要考慮加工條件，這就是機(jī)選擇合理幾何參數(shù)，也要考慮加工條件，這就是

8、機(jī) 床、夾具的情況，工藝系統(tǒng)剛度及功率大小，切削用量和切削液性能等。床、夾具的情況，工藝系統(tǒng)剛度及功率大小，切削用量和切削液性能等。) ) 切削用量：是指切削速度VC、 進(jìn)給量f和切削深度ap，又稱切削 用量三要素 切削路程與刀尖磨損量的關(guān)系 進(jìn)給量與刀尖磨損量的關(guān)系 切削深度與刀尖磨損量的關(guān)系 如下為工件：HT250 刀具：PCBN 切削三要素與刀尖磨損量的關(guān)系 刀具涂層：在刀具基體上涂覆一層或多層硬度高、耐磨性好的金屬或非金 屬化合物薄膜，解決了刀具存在的強(qiáng)度和韌性之間的矛盾，是切削刀具發(fā)展 的一次革命。 單層涂層梯度涂層多層涂層 納米多層涂層 納米復(fù)合 結(jié)構(gòu)涂層 刀具涂層的分類 刀具涂層

9、工藝 化學(xué)氣相沉積（CVD）物理氣相沉積（PVD） 反應(yīng)物反應(yīng)物 化學(xué)反應(yīng)化學(xué)反應(yīng) 氣態(tài)副產(chǎn)物氣態(tài)副產(chǎn)物 邊界層邊界層 靶材靶材 工件工件 在一定溫度和真空度下，在反應(yīng)室 內(nèi)涂層材料元素的化合物或單質(zhì)反 應(yīng)源氣體，在刀具表面和氣相界面 進(jìn)行分解、化合等化學(xué)反應(yīng)，最終 在刀具基體上形成一層均勻一致的 化合物薄膜層的過程。 在真空條件下，采用低電壓、大電流 的電弧放電技術(shù)，利用氣體放電使靶 材蒸發(fā)并使被蒸發(fā)物質(zhì)與氣體都發(fā)生 電離，利用電場(chǎng)的加速作用，使被蒸 發(fā)物質(zhì)及其反應(yīng)產(chǎn)物沉積在工件上。 切削液：具有潤(rùn)滑、冷卻、清洗及防銹等作用，對(duì)提高切削加工質(zhì)量和效 率、減少刀具磨損等均有顯著效果。 2121

10、世紀(jì)的兩種切世紀(jì)的兩種切削液技削液技術(shù)：最小潤(rùn)滑技術(shù)：最小潤(rùn)滑技術(shù)和液氮冷卻技術(shù)術(shù)和液氮冷卻技術(shù) 最小潤(rùn)滑技術(shù)最小潤(rùn)滑技術(shù)MQL 干式切削加工是不采用任何切削液的加工，它可以從根本上消除傳統(tǒng) 濕式加工易污染環(huán)境的弊端，是切削技術(shù)的一場(chǎng)深刻革命。但干式切削具 有溫度高、切削力大等特點(diǎn)，又出現(xiàn)了一系列濕式加工中沒有的問題。目 前，干式切削技術(shù)還很不成熟，其應(yīng)用范圍也很有限。而傳統(tǒng)的濕式切削 又有諸多不足。準(zhǔn)干式切削是一種介于濕式切削和純粹干式切削之間的切 削方式，又稱為最小潤(rùn)滑技術(shù)。準(zhǔn)干式切削采用噴霧冷卻方式，它用極少 的切削液而起到較好的冷卻和潤(rùn)滑作用。 液氮冷卻技術(shù)液氮冷卻技術(shù) 利用液氮進(jìn)行低

11、溫（超低溫）切削加工，就是利用液氮使工件、刀 具或切削區(qū)處于低溫冷卻狀態(tài)進(jìn)行切削加工的方法。氮?dú)馐谴髿庵泻?最多的成分，液氮作為制氧工業(yè)的副產(chǎn)品，來(lái)源十分廣闊。使用液氮作 為切削液，應(yīng)用后直接揮發(fā)成氣體返回到大氣中，沒有任何污染物，從 環(huán)保方面看，是一種有前途的切削液替代品。 針對(duì)干切削加工刀具設(shè)計(jì)， 1.一方面要開發(fā)新型的刀具材料及刀具涂層技術(shù)，并使之相結(jié)合，提高刀具耐磨損 和耐高溫性能； 2.另一方面要設(shè)計(jì)新型的自潤(rùn)滑刀具實(shí)現(xiàn)刀具的自潤(rùn)滑，提高刀具減摩潤(rùn)滑性能的 同時(shí)保證自潤(rùn)滑刀具基體機(jī)械性能。 自自潤(rùn)滑刀潤(rùn)滑刀具具： 是指刀具材料本身具有減 摩、抗磨和潤(rùn)滑功能，可在無(wú) 外加潤(rùn)滑液或潤(rùn)滑

12、劑的條件下 實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑切削加工，可顯著 改善干切削過程的摩擦潤(rùn)滑狀 態(tài)。 自潤(rùn)滑刀具能降低摩擦系 數(shù)、減小磨損、省掉冷卻潤(rùn)滑 系統(tǒng)、克服切削液造成的環(huán)境 污染、實(shí)現(xiàn)清潔化生產(chǎn)、降低 成本及減小設(shè)備投資。所以說(shuō) 自潤(rùn)滑刀具是一種潔凈的綠色 加工刀具 自潤(rùn)滑刀具 添加固體潤(rùn)滑劑的自潤(rùn)滑刀具 原位反應(yīng)自潤(rùn)滑刀具 軟涂層自潤(rùn)滑刀具 微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具 軟涂層織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具 添加固體潤(rùn)滑劑的自潤(rùn)滑刀具： 添加固體潤(rùn)滑劑的自潤(rùn)滑刀具是將固體潤(rùn)滑劑直接添加到刀具材料 中，制備成含有固體潤(rùn)滑劑的復(fù)合刀具。 工作原理： 刀具前刀面的 固體潤(rùn)滑劑由于受 到高溫、摩擦和切 削力的作用，被 “擠壓”出刀具表 面，在切削

13、溫度作 用下，固體潤(rùn)滑劑 處于塑性狀態(tài)并被 拖敷于刀具表面， 形成固體潤(rùn)滑膜， 從而賦予刀具的自 潤(rùn)滑特性。 添加固體潤(rùn)滑劑自潤(rùn)滑刀具在切削過程中的減摩模型 軟涂層自潤(rùn)滑刀具： 是指將固體潤(rùn)滑劑通過涂層的辦法直接涂覆于刀具表面，從而實(shí)現(xiàn)刀具 的自潤(rùn)滑功能，這類涂層刀具也稱為自潤(rùn)滑涂層刀具 軟涂層刀具的潤(rùn)滑機(jī)理示意圖 原位反應(yīng)自潤(rùn)滑刀具： 原位反應(yīng)自潤(rùn)滑刀具是指利用切削高溫作用下的摩擦化學(xué)反應(yīng)，在刀具表面 原位生成具有潤(rùn)滑作用的反應(yīng)膜，從而實(shí)現(xiàn)刀具的自潤(rùn)滑。因此，通過對(duì)刀具材 料進(jìn)行合理的組分匹配設(shè)計(jì)和摩擦學(xué)設(shè)計(jì)，利用切削過程中的摩擦化學(xué)反應(yīng)在刀 具表面原位生成具有潤(rùn)滑作用的反應(yīng)膜，實(shí)現(xiàn)自潤(rùn)滑。

14、 這種自潤(rùn)滑刀具材料在較高溫度下具有良好的自潤(rùn)滑能力，適合于高速干切 削。但是原位反應(yīng)自潤(rùn)滑刀具不易降低中低速切削的摩擦系數(shù)，且化學(xué)反應(yīng)很難 控制，高溫情況下的反應(yīng)有可能加劇刀具磨損，使其應(yīng)用受到一定限制。 微孔表面技術(shù)： 通過激光、電火花和噴丸等方法獲得具有一定尺寸、形狀及陣列的微孔表 面，可以有效改善表面的潤(rùn)滑和抗磨效果，并提高其承載能力。微孔表面作為 改變機(jī)械摩擦性能的可控技術(shù)在工程中已有廣泛應(yīng)用。并已經(jīng)在機(jī)械部件中如 內(nèi)燃機(jī)中的活塞環(huán)、發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸、導(dǎo)軌、軸向密封圈等零件上成功應(yīng)用。 微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具： 是指在刀具的刀- 屑（刀- 工）接觸區(qū)加工出微織構(gòu)，在微織構(gòu)中添加固體潤(rùn) 滑劑，切削

15、時(shí)由于高溫的作用使微織構(gòu)中的固體潤(rùn)滑劑軟化而拖敷于刀具表面， 在刀- 屑（刀- 工）接觸區(qū)形成連續(xù)的固態(tài)潤(rùn)滑膜，從而實(shí)現(xiàn)刀具本身的自潤(rùn)滑， 以達(dá)到減小摩擦、降低磨損和提高刀具壽命的目的。 微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具切削過程中的減摩模型 微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具的潤(rùn)滑膜層在切削加工中是一個(gè)潤(rùn)滑膜形成、磨損、再形 成的循環(huán)過程，微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具在微孔完全磨損的整個(gè)生命周期內(nèi)始終具有自 潤(rùn)滑效果。 微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具是一種新型的干切削加工潤(rùn)滑刀具，有待于深入的研究微 織構(gòu)結(jié)構(gòu)、尺寸及其減摩抗磨作用機(jī)理，在保證刀具基體強(qiáng)度的同時(shí)盡量延長(zhǎng)其 作用時(shí)間，并確定微織構(gòu)刀具的適用范圍。 軟涂層微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具： 軟涂層微織構(gòu)自潤(rùn)

16、滑刀具是指通過飛秒激光19 等微細(xì)加工技術(shù)在刀具的刀- 屑（刀- 工）接觸區(qū)加工出微米或納米級(jí)別尺寸的具有一定排列的小孔、凹槽等 形貌的點(diǎn)陣，然后通過物理氣相沉積法(PVD) 在刀具表面涂層MoS2 或WS2 等軟 涂層。 軟涂層微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具的加工工藝 軟涂層微織構(gòu)自潤(rùn)滑刀具尚處于研究階段，有待于深入研究微織構(gòu)的結(jié)構(gòu)、 尺寸及其減摩抗磨作用機(jī)理，同時(shí)軟涂層的材料、涂層厚度、涂層工藝、與刀 具基體的匹配程度、過渡層的選擇等需要再做進(jìn)一步的研究，以達(dá)到最優(yōu)的干 切削加工性能。 結(jié)束語(yǔ)結(jié)束語(yǔ) 干切削加工技術(shù)是實(shí)現(xiàn)綠色制造的關(guān)鍵技術(shù)，是一種先進(jìn)的制造技術(shù)，而干切削加 工刀具技術(shù)則是干切削加工技術(shù)中

17、的關(guān)鍵技術(shù)。由于缺少切削液的潤(rùn)滑和冷卻，干 切削刀具在實(shí)際加工中的摩擦條件會(huì)異常嚴(yán)酷，刀具磨損十分嚴(yán)重。而自潤(rùn)滑刀具 則是干切削時(shí)最好的選擇，其不但實(shí)現(xiàn)了刀具自身潤(rùn)滑的功能，而且在自潤(rùn)滑的同 時(shí)降低了刀- 屑和刀- 工之間的摩擦力，減輕了刀具磨損，同時(shí)降低了刀具的切削溫 度，達(dá)到冷卻的功能。 而在5 種自潤(rùn)滑刀具中，添加固體潤(rùn)滑劑的自潤(rùn)滑刀具由于是把固體潤(rùn)滑劑 添加到基體中去，因而有可能使得刀具基體材料的機(jī)械性能變差，從而影響 刀具的切削性能；而原位反應(yīng)自潤(rùn)滑刀具是刀具內(nèi)部成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，必 須達(dá)到較高的反應(yīng)溫度；軟涂層自潤(rùn)滑刀具的軟涂層磨損后難以補(bǔ)充，一旦 磨損或脫落涂層作用就將失效；微織構(gòu)自