6.1.3.1　微织构方向对切削力的影响

图6-2为不同刀具主切削力、径向力和轴向力随切削速度增加而产生的变化。三向切削力中，径向力Fy最大，主切削力Fx次之，轴向力Fz最小。与CT刀具相比，TMG和LMG刀具的各向切削力相对较小，尤其是主切削力和径向力较为明显。说明采用原位成型法制备的微织构刀具具有减小各向切削力的作用。其中，TMG刀具的切削力最小，主切削力Fz，轴向力Fy和径向力Fx分别比CT刀具减小了4.3%～12.5%，5.9%～12.6%，25%～29.5%。

以上试验结果与仿真结果对比发现，仿真和试验存在共性，横向微织构刀具的切削力均呈现最小状态，证实横向微织构刀具减小切削力的优越性。同时，试验和仿真存在差异。首先，仿真过程中，主切削力Fx最大，而试验中径向力Fy最大；其次，仿真中纵向微织构刀具LMG的切削力比无织构刀具大，而试验中纵向微织构比CT小。原因是切削仿真过程没有固体润剂，并且试验存在多变性，所加工的微织构刀具存在加工误差和负倒棱等因素影响。

图6-2　不同切削速度下各刀具切削力的变化

6.1.3.2　微织构方向对切削温度的影响

图6-3所示为刀具在150m/min切削速度下进行干切削，采用红外热像仪测量的TMG刀具刀—屑接触表面切削温度分布。在这种切削条件下，高温区集中分布在刀尖附近，刀屑接触表面的最高切削温度是209.7℃，由此说明切削过程中产生的切削热区域主要分布在刀尖。如图6-4所示为不同切削速度下CT、TMG和LMG刀具刀—屑接触表面最高切削温度变化趋势，随着切削速度增加，切削温度相应增加。微织构刀具比无织构刀具切削温度低，说明原位成型微织构刀具可降低切削温度。LMG刀具和TMG刀具切削温度分别比CT刀具降低了2.9%～5.6%、10.1%～12.3%，由此可见，在所有进行切削测试的刀具中，TMG刀具切削温度最低。

将以上试验结果与仿真结果对比发现，在切削温度方面，仿真和试验存在共性，横向微织构刀具的切削温度均呈现最小状态，证实横向微织构刀具减小切削温度的优越性。同样，试验和仿真在切削温度方面也存在差异，仿真中纵向微织构刀具的切削温度比无织构刀具的高，而试验中相反，其原因与切削力差异原因相似。

图6-3　TMG刀具在干切削条件下刀—屑接触表面切削温度分布

图6-4　CT、TMG和LMG刀具随切削速度变化对刀—屑接触表面切削温度的影响

6.1.3.3　微织构方向对剪切角的影响

剪切角ϕ可以由以下公式得到：

式中，ϕ是剪切角，γo是前角，δ是切屑厚度比，切屑厚度比是变形的切屑厚度与未变形的切屑厚度之比：

式中，ac是未变形的切屑厚度，ach是变形的切屑厚度。

图6-5为不同切削速度下CT、TMG和LMG三种刀具在干切削过程中的剪切角的变化趋势。三种刀具的剪切角随着切削速度的增加呈现下降趋势，其中横向织构刀具的剪切角最小，依次是纵向织构刀具，无织构刀具的剪切角最大。由此可见原位成型加工的微织构刀具能减小剪切角，其中横向微织构刀具效果最好。

图6-5　CT、TMG和LMG刀具刀屑接触表面切削温度在不同切削速度下的剪切角变化趋势

6.1.3.4　微织构方向对刀—屑接触表面摩擦因数的影响

刀—屑接触表面的摩擦因数可通过以下公式计算得出：

式中，β是摩擦角，γo是刀具前角，Fy是径向力，Fx是主切削力。

图6-6展示了无织构、横向织构和纵向织构在相同切削条件下切削45#钢时刀—屑接触表面的平均摩擦因数。随着切削速度的增加，横向微织构刀具TMG、纵向微织构刀具LMG以及无织构刀具CT的摩擦因数均呈现逐渐增大的趋势，其中TMG刀具的摩擦因数最小，LMG刀具的次之，CT刀具的最大。这说明微织构和石墨固体润滑剂的双重耦合作用发挥了有效减磨效果，可以改善刀—屑之间的接触环境，进一步减小刀—屑之间的摩擦力，增加刀具使用寿命。

图6-6　CT、TMG和LMG刀具在不同切削速度下刀屑接触表面的平均摩擦因数

6.1.3.5　微织构方向对切屑形态的影响

图6-7为CT、TMG和LMG刀具在120m/min速度下干切削45#钢切屑形貌图，由图直观切屑形貌发现横向微织构刀具TMG的切屑弯曲程度最大、切屑较短，依次是纵向微织构刀具TMG，无织构刀具CT；另外，通过比对各切屑的卷曲比i，卷曲比i越小，切屑的卷曲程度越大。

式中，d1为切屑横向卷曲直径；d2为纵向卷曲直径。

图6-7　三种刀具120m/min速度下干切削45#钢切屑形貌图(www.daowen.com)

计算得出无织构刀具CT切屑卷曲比为2.10，横向微织构刀具TMG切屑卷曲比为1.50，纵向微织构刀具LMG的卷曲比为1.64。因此TMG刀具的切屑卷曲程度最大，由此可说明微织构可以促进切屑弯曲，尤其是横向微织构效果最好。

以上试验结果与仿真结果对比发现，在切屑形态方面，仿真和试验结果能够达成一致。对应刀具形成的切屑卷曲形貌特征相似，无织构刀具卷曲程度较低，呈现长条状，当微织构置入刀具后，切屑弯曲程度增大，尤其是横向微织构刀具，产生的切屑卷曲程度最大，证实了原位成型微织构刀具具备促进切屑卷曲的作用。

6.1.3.6　微织构方向对前刀面磨损的影响

图6-8为CT、TMG和LMG刀具在150m/min速度下干切削45#钢5min前刀面磨损形貌的SEM表征。无织构刀具CT、横向微织构刀具TMG和纵向微织构刀具LMG的前刀面均出现了不同程度的黏结，其中CT刀具最为严重，前刀面上出现大量切屑黏结，局部出现积屑瘤；TMG和LMG刀具的前刀面黏结相对较轻。说明随着微织构的置入，刀具前刀面的黏结磨损得到明显的削弱，但是LMG刀具的微沟槽内出现了磨粒堆积的现象，可能是切削过程中，高速流屑作用下，刀—屑之间的磨粒受到剧烈摩擦，处于高温高压状态，导致磨粒逐渐在微沟槽内堆积。TMG刀具沟槽中没出现磨粒堆积，原因可能为：首先，横向微织构刀具切削过程中切削力和切削温度相对较低，达不到磨粒堆积的外界温度和压力条件；其次，切屑上附带的磨粒受到了横向沟槽的阻截，自行脱落。

图6-8　CT、TMG、LMG刀具前刀面磨损形貌SEM图

为了使试验研究更加具有说服力，本试验采取了对同一个刀具前刀面的磨损区域和未磨损区域内的元素进行对比分析。图6-9（a）显示了TMG刀具磨损区域A和未磨损区域B的位置，磨损区域A位于已磨损区域的两个微沟槽之间，未磨损区域B位于前刀面的无织构区域。图6-9（b）显示了TMG刀具磨损区域A和未磨损区域B的EDS表面化学成分分析图谱。通过对比区域A和区域B中的Fe元素和C元素，可知已磨损区域A中含Fe元素，区域B中不含Fe元素。由于陶瓷刀具中本身不含Fe元素，因此可以推断Fe元素来自于工件，切削过程中切屑滞留于前刀面，形成表面黏结。此外，试验之前前刀面各部位（沟槽内除外）的C元素含量相同，但是切削试验后已磨损区域A中的C元素高于区域B。出现这种现象说明有切屑磨粒置入微织构，挤出沟槽内的石墨，并在流屑作用下，涂覆在沟槽外的前刀面，形成了一层石墨润滑膜，从而增加了磨损区表面的C元素含量。

图6-9　前刀面磨损区域和未磨损区域位置分布及化学元素分析

6.1.3.7　减摩机理分析

以上试验结果表明，原位成型微织构陶瓷刀具有效改善了切削性能，明显降低了切削力和切削温度，尤其是横向织构刀具减摩效果最为突出，其作用机理如下：

切削过程中，切屑和前刀面之间的摩擦力（Ff）可由以下公式计算得来：

Ff=Arτc=awlfτc

（6-5）

其中Ar为刀—屑实际接触面积，lf是刀—屑接触长度，aw是切削宽度，τc是刀屑接触面润滑膜的剪切强度。

根据图6-10可得出以下公式：

图6-10　切削过程中剪切平面力示意图

其中是Fr是合力，是Ff是前刀面的摩擦力，Fx是主切削力，Fy是径向力，Fz是轴向力，β是摩擦角，γ0是前角，ψr是余偏角，ψλ是流屑角。

由公式（6-6）～公式（6-9）可以看出，切削力与剪切强度τc和刀—屑实际接触长度lf呈线性变化。高纯石墨固体润滑剂的润滑特性与MoS2类似，剪切强度为30～35MPa。然而Al2O3-TiC陶瓷刀具材料的剪切强度是700～800MPa。切削过程中，切屑流过前刀面，切屑上的磨粒在切屑与前刀面摩擦作用下被挤入微织构中，从而将微织构内的石墨润滑剂挤出，在流动切屑的作用下涂覆在前刀面上，形成一层润滑膜，如图6-11所示。因此原本切屑与前刀面之间的摩擦，就会转变成切屑与润滑膜之间的摩擦。由于石墨固体润滑剂有较小的剪切强度，因此根据公式（6-6）～公式（6-9）可以得出各向切削力均会减小。

此外，刀具前刀面微织构可以减少刀屑接触长度lf。正如图6-11所示，实际的刀屑接触长度lf′可以被计算出来：

lf′=lf-3d

（6-10）

图6-11　TMG刀具接触长度原理图

其中lf′是实际的刀屑接触长度，lf是名义上的刀屑接触长度，d是沟槽的宽度，如图6-11所示。假设接触长度lf是7d，其中与切屑接触的微织构沟槽有3个，微织构距切削刃的距离是0.2mm，即2d；由此可知实际接触长度为4d，比起无织构刀具的接触长度将减少3d，即实际接触长度将减少42.9%。由公式（6-6）～公式（6-9）可知，刀—屑实际接触长度的减少，直接导致切削力减少。根据试验情况，切削力虽有所降低，但各向切削力并没有减小42.9%那么多。原因可能是切削过程中，微织构可能会对流屑产生二次切削；磨粒脱离切屑并被挤压到微织构中时会增大部分切削力。因而产生了试验中切削力不会大幅度降低的情况。

由测试结果可看出，TMG和LMG表面微织构刀具与传统无织构刀具CT在干切削下刀屑接触表面的切削力、切削温度和摩擦角会减小。其原理可以由以下两个方面解释：一是在刀屑接触表面形成了一层低剪切强度的润滑膜，这层润滑膜是从表面微织构中释放出来并被涂敷在前刀面上的，在干切削过程中充当了润滑剂的作用。二是表面微织构刀具减小刀屑接触表面的接触长度，在刀屑接触表面更小的接触面积会导致更小的摩擦力，最终也会促使切削力降低。但在实际切削过程中，微织构的存在在一定程度上也会增加切削力，比如以流屑的二次切削形式或者流屑上的磨粒置入微织构时对流屑的反向力等形式。这些因素均会一定程度上增加切削力，但是整体来看，微织构的存在会减小切削力和切削温度等因素，提高切削性能。