在切削实验中,前刀面和切屑之间的摩擦力Ff可以通过下式计算:
Ff=aw×lf×τc
(6-17)
式中aw是切削宽度,lf是刀—屑的接触长度,τc是刀—屑接触表面的剪切长度。
在该实验中,由于微织构刀具的前刀面与切屑之间的接触面积减小,通过原位成型方法制造的微织构刀具填充有石墨润滑剂,石墨润滑剂的剪切强度远低于基体材料,这可能导致摩擦系数较小。另外,由工件产生的切屑流过前刀面并且可以挤出石墨润滑剂,石墨润滑剂涂抹在前刀面上,导致摩擦力减小。与传统刀具CT相比,织构化刀具的切削力显着降低。在以前的研究中,发现微织构刀具中织构的参数对切削性能有很大影响,当微沟槽的间距超过一定值时,微沟槽刀具的切削力大于CT的切削力,这可能是因为增加沟槽间距导致切屑和刀具之间的接触长度更大,进而导致摩擦力和切削力增加。对于MG-W刀具来说,宽度对切削力有相当大的影响,宽度大的微沟槽可有效挤出石墨润滑剂并储存切屑,从而改变前刀面与切屑的接触状态。然而,随着沟槽宽度的增加,改善切削性能的效果可能变弱,这可以通过沟槽的边缘产生切屑的二次切削并增加切削力来解释这一现象。而对于微圆坑刀具来说,增加微坑的直径减小了切屑与刀具之间的接触面积,并且微坑中的石墨被挤出以充当润滑剂,因此减小摩擦和切削力。在选择具有最佳性能的织构参数时,发现MG-W刀具在不同切削速度下具有比MG-S和MP-D刀具更好的切削性能,这可以通过垂直于切屑流动方向的MG-W刀具槽的方向来解释,这使得润滑剂比MG-S和MP-D刀具更有效地储存,同时释放润滑剂以减少切削热量。对于MG-S刀具,尽管沟槽的方向垂直于切屑流过前刀面的方向,但是沟槽间距对改善切削性能的影响不是很显着。对于MP-D刀具,微圆坑织构刀具具有比微沟槽宽度织构刀具更小的应力接触区域,然而,石墨润滑剂不能储存在凹坑中并且容易被切屑带走。(www.daowen.com)
在该实验中,微织构刀具的切削温度低于传统刀具CT的切削温度,并且MG-W刀具具有与MG-S和MP-D刀具相比更低的切削温度,这可以解释为微沟槽更容易存储石墨润滑剂,并且MG-W刀具对切削性能的影响比MG-S刀具更明显。
织构化刀具的表面粗糙度小于CT的表面粗糙度,MG-W刀具与其他织构刀具相比具有最小的表面粗糙度,不同织构刀具和CT的磨损形态和EDX分析表明,织构化刀具可以降低黏附力并改善切削性能。对于CT、Fe元素分布在整个前刀面上,并且在刀尖处黏附现象更明显,这可能是因为在切削过程中由工件产生并在前刀面上滞留的切屑来解释,这导致刀尖附近的热量集中并且降低了刀具的强度,并且这可能是刀具破损的原因。对于织构化刀具,微沟槽和微圆坑刀具减少了刀具切屑的接触长度,提高了切削性能。在有织构的刀具中,MG-W刀具与MG-S和MP-D刀具相比,更有效地将石墨润滑剂储存在沟槽中,MG-W刀具具有较轻的切屑黏附现象。
研究发现切削过程中微织构的存在会提高切削性能的积极作用:首先,在刀屑接触表面形成了一层低剪切强度的润滑膜,在干切削过程中充当了润滑剂;其次,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。切削过程中,产生的切屑部分挤入微织构,使织构内的石墨固体润滑剂溢出并涂覆在前刀面,形成一层润滑膜,降低了刀—屑接触面的剪切强度,切屑与前刀面之间的摩擦转变成切屑与润滑膜之间的摩擦,从而降低摩擦力。另外在切削过程中,由于刀具前刀面微织构的存在,使得切屑与前刀面的接触面积减小,从而降低了刀—屑之间的摩擦。
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