微纳复合织构自润滑陶瓷刀具的制备及切削性能

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1、钐论坛F。RuM微纳复合织构自润滑陶瓷刀具FabricationandPropertiesofMicro／Nano—TexturedSelf-LubricatedCeramicToolinDryCutting山东大学机械工程学院邢佑强邓建新冯秀亭闰光远程宏伟邢佑强博士研究生，主要从事织构表面摩擦学及自润滑刀具的研究。金属干切削过程中，由于前后刀面与切屑和工件之间存在的剧烈的摩擦，切削温度极高，刀具的磨损十。国家自然科学基金资助项目(51075237)、教育部博士点基金(2011013113002)、山东省A然科学基金重点项目(ZR2010EZ002)、山东大学自主创新基金资助项

2、目(201IJC001)资助。42航空制造技术·2013年第6期针对目前表面织构刀具研究现状，结合陶瓷刀具自身的特点，提出了将微米级织构与纳米级织构相结合的方法，在陶瓷刀具负倒棱处加工出纳米级织构，在前刀面加工出微米级织构，并填充润滑剂制备出一种微纳复合织构自润滑陶瓷刀具，预期设计和制备的微纳复合织构自润滑陶瓷刀具将有效地改善陶瓷刀具的切削性能。分严重，导致刀具寿命降低⋯，为解决这一问题国内外学者不断寻求开发新型刀具材料，优化刀具结构，研究新型刀具[2-4]。近年来，摩擦学与仿生学研究领域提出表面织构能够有效地减小摩擦，降低摩擦系数15-81，将这种技术应用于切削加T刀具将是一

3、种富有前景的研究领域。目前国内外学者将表面织构应用于刀具研究尚处在起步阶段。日本学者Kawasegif91等利用飞秒激光在WC—Co硬质合金刀具前刀面加工了微纳米沟槽织构，在干切削和最小微量润滑(MQL)条件下切削铝合金试验，结果表明微纳织构能有效地降低切削力。日本的ObikawaIl01等采用光刻加工方法在硬质合金刀具前刀面制备了类金刚石(DLC)涂层微织构刀具，切削铝合金试验结果表明平行于主切削刃微沟槽与微凸点阵列织构能够有效减小前刀面摩擦，改善刀具切削性能。国内的吴泽⋯】等采用微织构自润滑刀具切削45钢试验表明，织构刀具能够有效降低切削力和切削温度，减小切屑变形，减少刀具

4、前刀面磨损。陶瓷刀具的硬度高、耐磨性好、化学稳定性强、高温力学性能优良且不易与金属发生粘结，被广泛应用于难加工材料的切削加工[1210针对目前表面织构刀具研究现状，结合陶瓷刀具自身的特点，提出了将微米级织构与纳米级织构相结合的方法，在陶瓷刀具负倒棱处加工出纳米级织构，陆。⋯。。确I未来刀具在前刀面加工出微米级织构，并填充润滑剂制备出一种微纳复合织构自润滑陶瓷刀具，预期设计和制备的微纳复合织构自润滑陶瓷刀具将有效地改善陶瓷刀具的切削性能。微纳复合织构自润滑陶瓷刀具的制备工艺1试验材料试验陶瓷刀具采用热压烧结法制得的A1，0，／TiC陶瓷刀具，其主要成分及性能见表1。陶瓷刀具型号为

5、ISOSNGNl20708试样，负倒棱为0．25Yllm×(一8)。。试验前将陶瓷刀具前刀面及负倒棱处研磨抛光，其表面粗糙度在0．02¨m以下，并在丙酮和酒精中超声清洗2次，每次15min，待干燥后使用。2试验设备试验分别采用济南产DP—H50半导体侧面泵浦Nd：YAG固体激光打标机和美国相干公司生产的型号为LegendElite—USP的钛宝石飞秒激光器系统分别加工出微米级织构与纳米级织构，通过调节不同的加工参数加工出理想的微纳米织构。激光加工设备参数如下：Nd：YAG固体激光工作介质为钇铝石榴石，最大激光功率50W，波长1064nm，脉冲重复最大频率20kHz，脉冲宽度为1

6、0ns；飞秒激光器激光工作介质为钛宝石，激光波长800nm，单脉冲最大能量lmJ，脉冲宽度为120fs。3微纳织构的制备工艺在激光表面微纳织构加工工艺试验中，影响微纳织构形成的因素很多，主要是材料本身的特性以及激光加工参数。文中微米级织构的制备主要研究了泵浦电流、扫描速度、频率，扫描次数对微织构形貌和几何尺寸的影响；纳米级织构的制备主要研究了激光能量、扫捕速度、扫捕次数对于表面形貌和织构尺寸的影响。3．1微织构的制备工艺(1)泵浦电流与扫描速度对微沟槽尺寸的影响。泵浦电流是影响激光功率的主要因素，图1为频率为6kHz，扫描次数为1次时，泵浦电流与扫描速度对微沟槽深度与宽度的影响

7、。由图1可知，微沟槽的深度随泵浦电流的增大而增大，随扫描速度的增大而减小；微沟槽的宽度随着泵浦电流的增大呈现先减小后增大趋势，随着扫描速度的增大变化趋势不大；同时试验研究发现当泵浦电流过小或者扫描速度较大时，加工沟槽形貌出现了明显的不连贯现象。其原因主要是南于激光电流较小或者扫描速度较大时，激光能量密度小于烧蚀阈值，表面沟槽深度较小；随着泵浦电扫捕速度／(Illlll·‘“)(h)宽度图1泵浦电流及扫描速度对微沟槽几何尺寸的影响表1A1203丌iC陶瓷刀具材料性能TjC质量硬度Hv屈服强度断