微机械制造与传统机械(刀具寿命成本效益，机械微纹理与传统无纹理工具，哪种更经济？)

文|三楼的猫头鹰

编辑|三楼的猫头鹰

在机械加工的过程中，切削液被用于降低刀具与切屑界面的温度和力，然而这也伴随着机器操作员健康风险的增加以及额外成本的支出。

为了促进加工的可持续性，研究人员正在积极探索各种替代技术，以减少或者消除在加工过程中对切削液的依赖。

刀具-切屑界面应用受控表面改性技为加工领域注入了新的可能性，能够在不使用切削液的情况下，有效地降低摩擦和磨损，提升工件的加工质量。

01

实验细节

为了实现机械微纹理化，研究采用了等离子氮化高速钢（PN-HSS）级别的M2刀具，这种表面处理工艺利用等离子渗氮，通过热化学处理来扩散氮，从而增强刀具的摩擦学性能，如磨损和摩擦系数，同时提升耐疲劳性和耐腐蚀性。

研究开始时，进行了初步实验，以确定UT切削刀具上的磨损区域，并选择适当的输入切削参数，这一阶段使用光学显微镜和非接触式3D表面轮廓仪来鉴定UT切削刀具前刀面上刀具与切削屑接触的区域。

在PN-HSS切削刀具前刀面上的三个不同区域，采用维氏硬度计制造了机械微观纹理，这些机械微纹理（MμT）位于切削刀具的前刀面上，通过使用维氏硬度计进行制造，同时，还通过场发射扫描电子显微镜拍摄了MμT切削刀具的图像。

这些机械微纹理具有3D表面轮廓，平均宽度约为200微米，研究还涉及一种名为MoS2的固体润滑剂，其平均粒径为0.5微米，将其与石墨基润滑脂混合，使MoS2的浓度达到70体积%。

将这种混合物填充到机械微纹理中，并进行压实，在开始加工之前，填充的纹理工具在室温下干燥了2小时。

02

实验设计

实验设计方法中，设计实验被用于评估不同输入过程参数对输出响应的影响，同时运用统计技术以确保获得准确的输出响应。

在这种方法中，功能关系常常被近似为多项式函数，通常使用一阶或二阶函数，因为其数学形式未知，为了将这些函数适应于实验结果，适当的统计方法被应用。

中心复合可旋转设计（CCRD）是对传统2k因子设计的一种修改版本，在这种设计中，每个因子被赋予两个不同的值，即两个级别，一个较低（编码为-1）和一个较高（编码为+1）。

这也被称为2k设计，通过在这两个级别上组合输入参数，构建了实验组，为了确保系统的可旋转性，即所有复合设计点的标准误差相等，额外的水平仪被引入，形成了中心复合设计。

在CCRD技术下，实验数量等于2k加中央运行的总数，在研究中有两个输入变量，即切削速度和进给量，因此k=2，这意味着需要进行27次实验（2^2+2*2），也就是13次。

为了确定合适的输入参数范围，研究开始时进行了初步实验，在恒定切削深度为0.3毫米的情况下，进给量在0.04-0.20毫米/转的范围内变化，切削速度在7-44米/分钟的范围内变化。

经过CCRD设计后，对输入参数进行编码值和原始值的转换，方差分析（ANOVA）被用于获得特定模型中各种输出响应的估计，显著性检验也被执行，以检验模型的适用性，并计算决定系数（R2），该系数用于衡量拟合模型的优度。

在进行车削实验时，研究团队选用了HMTNH26车床，并在该车床上装备了UT、MμT和C-MμT三种类型的刀具，这些刀具具备一系列特性，包括0°的前角、6°的后角、0°的倾斜角、75°的切削刃角度以及0.8毫米的刀尖半径。

为了获得准确的数据，他们使用了连接电荷放大器的压电测功机来测量切削过程中的加工力，同时采用红外热像仪来测量刀具的温度，研究还着重测量了刀具与切屑之间的刀具-切屑界面处的切削区温度。

为了进一步了解加工效果，研究人员还使用了场发射扫描电子显微镜来检查经过加工后的切削刀具的前刀面区域，为了确保数据的准确性，每次测试都进行了三次实验，并取其平均值。

03

机械微观纹理对前刀面纹理刀具应力的影响

为了深入了解机械微观纹理对刀具强度的影响，研究团队进行了有限元分析（FEA），在分析中，切削刀具的简化版本被建模成了一个长方体。

切削实验中得到的切削力和进给力分量被用作平均法向压力，施加在刀具-切屑接触区域（1mm×1mm）上，研究假设这些力均匀分布在切削刃上，并且刀具在各个方向上都受到限制，以限制其运动。

通过有限元分析，研究团队得出了UT和MμT切削刀具在各自切削力和进给力下的vonMises应力分布图，这些应力和应变均被确认在安全范围内，没有超出材料的承载能力。

MμT工具产生的vonMises应力要比UT工具更高，这是由于机械微观纹理引起的应力集中现象，尽管存在机械微观纹理，刀具的机械强度没有受到预期的大幅影响。

研究团队还进行了UT和MμT切削刀具在相同切削参数下（切削速度20m/min和切削深度0.3mm）的vonMises应力比较，他们提供了装配图，详细列出了用于模拟金属切削操作的切削刀具和工件的特性。

结果显示，在相同的切削参数下，MμT切削刀具的应力比UT切削刀具高出33.8%，这表明机械微观纹理引起了额外的应力，这种增加应力的现象可以归因于微纹理距离切削刃较远，导致加工过程中出现微压痕，进而引起应力集中。

不过，无论在UT还是MμT切削刀具的情况下，应力都保持在安全范围内，没有出现灾难性故障。

研究团队还使用中心复合可旋转设计（CCRD）来进行实验，以优化实验数量，并使用响应面法（RSM）来分析数据，建立二次方程来建模输入参数和输出响应之间的关系，他们对实验结果进行了深入分析。

04

工具-芯片界面温度

研究团队开展了对C-MμT切削刀具的实验计划，并报告了实验结果，所有测量均针对200mm的切割长度进行了三次，并计算出平均值。

通过回归分析，研究团队建立了Tc-mμt、Fcc-mμt、Ffc-mμt、μc-mμt和Rc-mμt的响应面模型，并在方程（5c）、（7c）中提供了模型表达式，其中（8c）、（11c）为实际因子值，类似地，对MμT和C-MμT切削刀具进行了相同的回归分析。

实验表明，切削速度对UT刀具-切屑界面温度的影响最大，贡献为68.97%，其次是进给量（ANOVA中的A和A2），贡献为30.93%，这些因素共同影响着刀具温度。

可以得出R2值为0.9712，调整后的R2值为0.9591，为提高模型的预测准确性，回归模型中引入了CCRD项，对于所有输出结果，UT和MμT切削刀具的R2值均大于0.95。

在切削过程中，UT、MμT和C-MμT切削刀具的刀具温度分别随进给量和切削速度的变化而变化，研究观察到，随着进给和切削速度的增加，刀具-切屑界面温度也会上升。

这可以归因于切削速度增加和刀具表面进给量增加，从而导致摩擦力增加，进而使刀具-切屑界面温度升高。

以切削速度为15m/min、进给量为0.12mm/rev、切削深度为0.3mm为例，UT切削刀具的刀具-切屑界面温度为140℃。

使用MμT和C-MμT切削刀具，刀具-切屑界面温度分别降低至125℃和116℃，这可能是由于机械微观纹理的存在，减少了刀具前刀面与切屑的接触面积，从而降低了刀具-切屑界面温度。

在C-MμT切削刀具中，机械微观纹理中截留的润滑剂开始沿着切屑流动方向流动，形成自润滑膜，润滑剂的存在减少了刀具与切屑界面之间的摩擦，从而降低了温度。

无论切削刀具类型如何，工件的Ra都随着进给量的增加而增加，在切削速度为15m/min、进给量为0.12mm/rev、切削深度为0.3mm的情况下，使用UT切削刀具获得的工件CLARa为4.35μm。

使用MμT和C-MμT切削刀具可以将其降低至4.21μm和4.01μm，由于UT切削刀具在加工过程中产生的温度较高，刀具材料在工件上的粘附较大，UT中的刀具和切屑界面之间的摩擦力较大，导致工件表面Ra较大。

在使用C-MμT切削刀具进行加工时，切削力和进给力较小，刀具振动较少，因此获得更好的表面光洁度。

由于机械微纹理刀具的前刀面上的工具-切屑界面之间的接触面积减少，因此通过刀具前刀面的微纹理降低刀具-切屑界面温度是可能的。

刀具前刀面和切屑直接接触面积的减少导致摩擦力减小，从而降低了MμT切削刀具的刀具-切屑界面温度。

在C-MμT切削刀具中，机械微观纹理中截留的润滑剂开始沿着切屑流动方向流动，正如Gajrani等人所讨论的，它会产生自润滑膜，润滑剂的存在减少了刀具与切屑界面之间的摩擦。

据观察，无论切削刀具的类型如何，工件Ra都会随着进给量的增加而增加，在切削速度为15m/min、进给量为0.12mm/rev、切削深度为0.3mm时，使用UT刀具获得的工件CLARa为4.35μm。

使用MμT和C-MμT切削刀具可将其减小至4.21μm和4.01μm，由于与MμT和C-MμT切削刀具相比，UT加工过程中的温度较高，因此刀具材料在工件上的粘附程度占主导地位。

刀具和切屑界面之间的摩擦力更大，导致Ra更大UT中的工件，在使用C-MμT切削刀具加工过程中，由于切削力和进给力较小，因此发生的切削刀具振动相对较少，从而获得更好的表面光洁度。