2.4.4.1　不同微织构沟槽方向对切削力的影响

图2-27展示了仿真结束后不同微织构沟槽方向刀具主切削力随时间变化的趋势。CT、TMG和LMG这3种刀具在切削过程初始阶段均出现一个急剧上升的趋势，随着切削的进行，三种刀具的切削力呈现出在一定范围内上下波动的变化趋势，此时进入稳态切削阶段。由图中3条切削力变化曲线可以明显看出，在进入切削稳态后，三种刀具切削力的大小不同，TMG刀具切削力最小，LMG刀具切削力最大。对于切削力波动，在稳态阶段，无织构刀具的波动较大，其次是横向微织构TMG刀具，纵向微织构LMG刀具的波动最小。这说明特定形貌微织构的存在会减小切削力波动，进而减小切削过程中对刀具的冲击，增加刀具的使用寿命。

由于切削仿真是根据固定数学模型进行计算分析，运算过程中不同切削速度下，三种刀具的切削力的变化趋势不会因外界因素影响而产生较大改变，因此切削过程只采取了对单一切削速度进行研究。对切削稳态后三向切削力的平均值进行统计，如图2-28展示了刀具切削稳定后三向平均切削力，通过对比分析可以看出微织构对主切削力Fx影响较大，对径向力Fy和轴向力Fz影响较小；与CT刀具相比，TMG刀具的主切削力降低了约10%，LMG刀具要高出15%左右。可见不同的微织构沟槽方向对切削力的影响也不同，横向微织构会减小切削力，纵向微织构一定程度上会增加切削力。

图2-27　不同微织构沟槽方向的刀具主切削力随时间变化趋势

图2-28　不同微织构沟槽方向刀具对切削力的影响

2.4.4.2　不同微织构沟槽方向对切削温度的影响

图2-29为三种刀具切削过程中同一时刻下前刀面温度分布情况。可以看出刀具表面具有很高的温度梯度分布，无织构刀具刀尖高温区面积较大，温度普遍较高，集中分布于切削刃附近。微织构刀具高温区面积较小，且高温区域偏离切削刃，向微织构区域靠近，尤其是横向织构刀具，温度分布较均匀。因为在切削过程中切削温度存在多变性。经统计分析，在所有切削步中，微织构刀具表面温度比无织构刀具低的切削步占58.1%，而无织构刀具温度比微织构刀具低的切削步仅占12.9%，其余29%的切削步无织构刀具与微织构刀具温度基本相同。由此可说明微织构的存在可降低刀尖温度，分散切削刃附近的温度集中，从而保护切削刃，增加刀具的使用寿命。图2-30为不同刀具织构方向对切削温度的影响，可见TMG和LMG的最高切削温度要比无织构刀具低，进一步证实了微织构刀具可降低切削温度的结论。

图2-29　不同刀具前刀面温度分布图

图2-30　不同刀具织构方向对切削温度的影响(www.daowen.com)

2.4.4.3　不同微织构沟槽方向对应力分布的影响

当刀具受力达到一定程度，前刀面材料会发生破损和断裂，微织构势必会对刀具应力分布产生影响，故本文对表面微织构刀具的应力场进行分析。图2-31为三种刀具前刀面的应力云图分布情况，可以明显看到无织构刀具CT产生的应力主要集中分布在刀具切削刃上，使得刀具磨损区域主要集中于切削刃处。因此会加剧切削过程中刀具磨损的进程，缩短刀具使用寿命。而横向微织构刀具TMG应力分布区域较分散，微织构的存在分散了刀尖应力，使切削刃应力相对较小。刀具LMG的纵向微织构的分散应力能力相对较差，出现了与无织构刀具相似的应力高度集中区。同样，在切削过程中前刀面应力分布也存在多变性，经统计分析，在所有切削步中，微织构刀具表面应力比无织构刀具应力小的切削步占51.6%，而无织构刀具应力比微织构应力小的切削步仅占22.6%，其余的25.8%为微织构刀具和无织构刀具应力分布基本相同。综上可知，横向微织构刀具前刀面应力分布较均匀，相对较小，可降低前刀面的磨损。

图2-31　不同刀具表面应力分布云图

2.4.4.4　不同微织构沟槽方向对二次切削和切屑形态的影响

图2-32显示了TMG和LMG刀具切削过程中切屑和刀具前刀面的接触状态，对于横向微织构刀具TMG，其切屑与微沟槽边缘发生相互作用，切屑对微织构边缘产生连续冲击，形成二次切削，引起微织构边缘应力集中，加快微织构的损坏。对于纵向微织构刀具LMG，其切屑和微沟槽发生严重挤压作用，使切屑产生二次变形，出现了切屑中间的条纹凸起。以上现象说明在切削过程中，微织构的存在，会带来二次切削的副作用，给切削过程带来危害，引起切削力增大、切削温度升高等问题，由此出现纵向微织构刀具LMG切削力大于无织构刀具CT的情况。横向微织构刀具在二次切削副作用下，依旧保持较好的切削性能，是由于横向织构的减摩积极作用大于二次切削消极作用。

图2-32　微织构刀具切削过程中切屑与前刀面的接触状态

图2-33显示了CT、TMG和LMG刀具切削过程中的切屑形态。由于三种刀具的整个切削过程均是切削180°，因此三种刀具的切屑长度是相同的。从图中可以看出，传统无织构刀具CT的切屑呈长条状，形状不规则；微织构刀具TMG和LMG的切屑呈卷曲状，弯曲半径明显减小，尤其是横向微织构刀具TMG，其弯曲半径最小。说明微织构的存在一定程度上会促进切屑卷曲，其中横向微织构的效果最好，切屑卷曲可促进切屑断屑，避免了细长屑对人的伤害，这对于切削过程提高安全性有积极作用。

图2-33　不同刀具切削过程中的切屑形态