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1、上海大学20112012学年 秋 季学期研究生课程考试092007808（小论文）课程名称：摩擦磨损与润滑课程编号:论文题目：刀具的自润滑研究研究生姓名： 学号：论文评语:成绩： 任课教师:评阅日期：刀具的自润滑研究(上海大学 机电工程与自动化学院，上海，200072)摘要：针对干切削加工，一方面要开发新型的刀具材料及刀具涂层技术，并使之相结合，提高刀 具耐磨损和耐高温性能；另一方面要设计新型的自润滑刀具实现刀具的自润滑，提高刀具减摩润滑性 能的同时保证自润滑刀具基体机械性能，并针对不同的加工条件选择合理的刀具几何结构和刀具材 料，这是设计开发干切削刀具的有效途径。关键词：干切削；自润滑刀具；
2、刀具磨损；Study on Self-lubricated Tools(School of Mechatronic Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)Abstract: To develop dry machining technology, on the one hand, the new cutting tool material and the cutting tool coating technology should be developed to enhances the
3、cutting tool wearing quality and the high temperature resistant; On the other hand, we must put forward to design and develop self-lubricated tools technology to enhance the cutting tool anti-friction lubricity as well as guarantee the mechanical property of self-lubrication cutting tool substrate.
4、And the article also aims at choice of reasonable cutting tool geometry structure and the cutting tool material.Key words: Dry machining; Self-lubricated tool; Tool wear背景现代切削加工都采用在切削加工过程中使用切削液来降低加工过程中的摩擦和磨损。切 削液的主要作用是润滑和冷却，能够改善切削加工中的摩擦润滑状态和降低切削温度。但切 削液的存储、使用以及废弃处理需要专门的物流系统，因而费用很高；切削液处理不当会对 人的健康以及环境
5、造成危害；工件经过湿加工后必须进行清洁处理1。这都费时费力，同时 增加了对系统的要求。德国的VDMA和日本精密工程协会的研究表明:切削加工中切削液的费用占生产总费用的 15%-17%，而刀具成本只有总成本的2%-4%。据测算，如果20%的切削加工采用干式加工，总 的制造成本可降低1.6%2。因此，为了消除切削液带来的负面影响，最有效的方法就是取消 切削液，进行干式切削加工。采用干式切削的意义在于:形成的切屑干净、清洁、无污染， 易于回收和处理；省去了与切削液有关的传输、过滤、回收等装置及费用，简化了生产系统， 节约了生产成本；节省了与切削液及切屑处理有关的费用；不产生环境污染及与切削液有关 的
6、安全与质量事故3。因此，可以说干切削技术是一种环境效益和经济效益俱佳的工艺选择。但是相比于传统的湿切削，干切削也有一些不足:由于缺少切削液的润滑和冷却作用， 刀具前刀面-切屑、刀具后刀面-工件之间的摩擦加剧，切削温度急剧升高，刀具的磨损严重， 刀具寿命下降，加工表面质量恶化3。所以，干切削对刀具提出了更高的要求：刀具应具有 优异的耐高温性能；刀具与切屑之间的摩擦系数要尽可能小；必须要优化刀具几何参数与结 构。因此，针对干切削加工的特点，自润滑刀具应运而生。固体润滑的原理2.1 固体润滑特点固体润滑是指在摩擦表面形成固体润滑膜，降低摩擦副间的摩擦系数，从而减小磨损的 一种润滑力一式。由摩擦学原理
7、可知4，摩擦过程中的实际接触面积只占表观接触面积的很小部分，在外 加载荷的作用下，摩擦表面间的接触状态可看作由若干粗糙凸峰相互接触的组合，摩擦表面 接触状态如图1 所示。具有软材料表面膜的摩擦副滑动时，粘着点的剪切发生在膜的内部，其剪切强度较低， 因此，在载荷一定的条件下，当基体材料相同，摩擦面之间存在剪切强度较低的润滑膜时， 同样能够降低摩擦过程的摩擦系数。实际摩擦条件下材料一般处于边界润滑状态。边界润滑 是指摩擦副界面上只存在一层极薄的润滑膜，这层极薄的润滑膜称为边界膜。由于边界膜太 薄，不足以使摩擦副两表面分隔开。2.2 摩擦的原子模型从原子层角度分析摩擦表面存在润滑膜的摩擦过程。假设两
8、个紧密接触的物体之间的原子界面如图2所示，材料的原子结构如图中“O”所示，平面L两个方向的晶格常数都是a, 而对摩材料的表面原子（和所研究材料相接触的那些原子）用正六边形表示，滑动摩擦前处于 黑色图形的位置。向左滑动X距离后，分别到达虚线六边行的位置。410-0 oooy o o o o o ok o o o o o o d oo o o oIL-o ooooo 广 o o o o o o o o o o o o图2摩擦表面的原子界面模型假设固体中每个原子所受到的引力和斥力平衡。当两个物体接触的时候，接触表面原子 的距离可以近到足以使对面原子进入斥力场中，即实现两个表面之间的原子结合。此时，分
9、 开这个表面所需的能量就是摩擦阻力。在其他条件不变的情况下，单个原子键的能量。就成 为摩擦系数大小的关键。当摩擦表面有固体润滑膜的存在时，由于固体润滑膜的原子键的能 量远小于基体，故摩擦系数能够降低。2.3 切削加工润滑原理在切削过程中始终存在2 个摩擦副，即由前刀面与切屑组成的摩擦副和后刀面与工件组 成的摩擦副。刀具前刀面、后刀面不断与切屑和工件接触并发生强烈的摩擦，接触区压力高 达lGPa以上，切削温度可高达1000以上6。实现切削加工润滑的基本原理是在刀具前刀面和切屑之问形成具有润滑作用的润滑薄 膜，润滑膜一方面可以防止刀具前刀面与切屑面的直接接触，另一方面可减小接触金属薄层 的剪切强度
10、，从而降低摩擦系数。在切削加工过程中，具有润滑作用的薄膜主要包括物理吸附膜、化学吸附膜、化学反应 膜、氧化膜、涂层润滑膜及自润滑膜等7。油性添加剂能够与金属表面形成牢固的物理吸附 薄膜：润滑剂的极性分子能够在金属表面产生形成化学吸附膜；某些润滑剂分子可以同金属 表面发生化学反应而形成化学反应膜；刀具或工件材料中的某些元素在切削高温作用下产生 氧化而形成氧化物润滑膜；利用涂层涂覆技术可在刀具表面形成润滑涂层;而通过对刀具进 行合理的组分设计或者结构设计，可以使刀具本身在切削加工过程中形成具有润滑作用的自 润滑膜。一般由切削液形成的物理吸附膜只适用于低温润滑摩擦，当切削温度超过200C时 即失去润
11、滑能力。对刀具表面进行涂覆润滑涂层是种很有前途的润滑方式之一，前国内外发展都很快， 但是涂层刀具中的润滑涂层在切削过程中难以补充，一旦润滑涂层磨损或脱落便会失去自润 滑功能，从而失效。因此，可以认为，干切削加工的广泛应用急需研究开发新型自润滑刀具 自润滑刀具的设计所谓自润滑刀具是指刀具材料本身具有减摩、抗磨和润滑功能，可在无外加润滑液或润 滑剂的条件下实现自润滑切削加工，可显著改善干切削过程的摩擦润滑状态8。由于自润滑 刀具的应用可减小摩擦与磨损，省去冷却润滑系统，减少设备投资，避免切削液造成的环境 污染，实现清洁化生产，降低生产成本。因此，自润滑刀具是一种高效、洁净的干切削刀具。实现刀具本身
12、自润滑的方法有多种，可将其归纳为5 种基本类型，如图 4 所示：（1） 添加固体润滑剂的自润滑刀具；（2）原位反应自润滑刀具；（3）软涂层自润滑刀具；（4）微 织构自润滑刀具；（5）软涂层微织构自润滑刀具。图 4 自润滑刀具的类型3.1 添加固体润滑剂的自润滑刀具 添加固体润滑剂的自润滑刀具是将固体润滑剂直接添加到刀具材料中，制备成含有固体润滑剂的复合刀具。常用的固体润滑剂有MoS2、H3BO3、TaS2、WS2及软金属（Ni、W、Al、Ti和Co）等，其同金属组成摩擦副的摩擦系数可低至0.10.2,是普通刀具材料的1/41/2。干切削时，刀具前刀面的固体润滑剂由于受到高温、摩擦和切削力的作用
13、，被“挤压”出刀具表面，在切削温度作用下，固体润滑剂处于塑性状态并被拖敷于刀具表面，形成固体润滑膜，从而赋予刀具的自润滑特性。图 5 为添加固体润滑剂的自润滑陶瓷刀具在切削过程中 的减摩模型。刀具润滑剂自润滑刀具在切削过程中的减摩 前刀面刀面各部位的受力和摩擦条件不随着切削的进行，可能同在因些区个刀自润滑膜正二很难同 在生成,时生而其他部位的自润滑膜正在损坏。当自润滑膜产生破坏并脱落后，刀具前刀面便形成了一个未覆盖润滑膜的新鲜表面，切屑与这一新鲜表面重新接触，使自润滑刀具又重新进入自润滑膜的生成过程。由此，形成了自润滑膜的生成、破损、脱落和再生的循环过程。对于刀具前刀面的某一固定区域，始终会按
14、照自润滑膜的生成、破坏、脱落和再生这一 演变规律进行往复循环，在切削过程中自润滑膜覆盖于刀具前刀面的总面积处于一种动态平 衡状态。因而添加固体润滑剂的自润滑刀具在其整个生命周期内始终具有自润滑效果。3.2 原位反应自润滑刀具原位反应自润滑刀具是指利用切削高温作用下的摩擦化学反应，在刀具表面原位生成具 有润滑作用的反应膜，从而实现刀具的自润滑。切削摩擦条件下的化学反应是高度非线性 不可逆的远离平衡态的热力学过程，处于摩擦学和化学的交叉领域。此种化学反应的存在 经常引起摩擦副表面材料发生本质的变化，使整个摩擦系统具有某种独特的结构特性。如果 能加以合理利用，将会产生很好的效果。刀具表面在切削过程中
15、处于高温状态，有利于引发 和促进摩擦化学反应。通过对刀具材料进行合理的组分匹配设计和摩擦学设计，利用切削过程中的摩擦化学反应有可能在刀具表面原位生成具有润滑作用的反应膜，从而实现刀具的自 润滑。生成的固体润滑剂可以在摩擦表面形成完整的表面膜，也可以是不完整的表面膜，甚至磨屑也可起同样的作用。这种自润滑刀具材料在较高温度下具有良好的自润滑能力，尤其 适合于高速干切削。这种自润滑刀具材料在较高温度下具有良好的自润滑能力，适合于高速干切削。但是原 位反应自润滑刀具不易降低中低速切削的摩擦系数，且化学反应很难控制，高温情况下的反 应有可能加剧刀具磨损，使其应用受到一定限制。3.3 软涂层自润滑刀具软涂层自润滑刀具是指将固体润滑剂通过涂层的办法直接涂覆于刀具表面，从而实现刀具的自润滑功能，这类涂层刀具也称为自润滑涂层刀具。软涂层的主要成分为具有低摩擦因 数的固体润滑剂，如 MoS2、WS2 等，这些具有层状结构的固体润滑剂剪切强度较低且易附 着于摩擦表面，从而可在切削过程中起到减摩作用。（a）切削询切涂X磨损（c）涂以完金脱落软涂LJJ f i-图 6 软涂层自润滑刀具在切削过程中的润滑机理此外，切削过程中，存在于刀具表面的固体润滑膜会转移到工件材料表面，形成转移膜， 使切削过程中摩擦发生在转移膜和润滑膜之间，使摩擦发生在固体润滑膜内部，从而可达到 减小摩擦、阻止
