摩擦磨损分析
这是与金属切削刀具的应用和加工过程中产生的载荷相关的系列文章中的第四篇。第一篇文章重点介绍了基本的金属切削概念以及车削作中刀具几何形状、进给率和机械载荷之间的关系。接下来的两篇文章分析了铣削中的机械和热载荷。本文通过摩擦学理论解释了切削切屑和刀具之间的相互作用，摩擦学是金属切削载荷分析的一个相对较新的领域。摩擦学研究在特定温度和压力下相互接触的表面如何相互作用。介绍
这是与金属切削刀具的应用和加工过程中产生的载荷相关的系列文章中的第四篇。第一篇文章重点介绍了基本的金属切削概念以及车削作中刀具几何形状、进给率和机械载荷之间的关系。接下来的两篇文章分析了铣削中的机械和热载荷。本文通过摩擦学理论解释了切削切屑和刀具之间的相互作用，摩擦学是金属切削载荷分析的一个相对较新的领域。摩擦学研究在特定温度和压力下相互接触的表面如何相互作用。
刀具磨损理论
在金属切削作中，刀具使工件材料变形并使其以切屑的形式剪切掉。变形过程会产生热量和压力，这些负载最终会导致刀具磨损或失效。传统的磨损理论认为，故障是由切屑和刀具之间的摩擦引起的，这些摩擦是接触但不相互连接的。
然而，最近对切削刀具失效机制的研究已经确定，金属切削中的压力和温度，尤其是在加工高性能工件材料时产生的压力和温度，使得传统的磨损理论无法完全描述切屑/刀具界面处发生的情况。
摩擦学研究已经确定，切削过程不仅仅涉及单个剪切事件以及随后的切屑和刀具断开。事实上，二级和三级连接和断开连接也会发生。切屑被剪掉，粘附在前刀面上，然后再次被剪掉，最后从刀具上滑落。主要磨损机制是反复剪切，而不是摩擦。
图 1 和图 2 说明了通过摩擦学描述的金属切削过程。图 1 显示了区域 5 中工件材料的初步变形。区域 3 是分离区，也称为停滞点，因为工件材料和刀具在该区域的相对运动基本上为零。初始剪切发生在初级剪切区 1 中，材料在这里被剪切并形成切屑。然后，在二次剪切区 2 中，切屑与前刀面接触。高压导致切屑粘附在刀具的前刀面上。
图 2 提供了区域 2 中作的更详细视图。在 A 区，工件材料以极大的力压在切削刃上，并开始粘附在刀具上。在区域 B 中，材料粘附在前刀面上。在 C 区，切屑从前刀面上剪切并滑过前刀面，结束它与刀具之间的接触。
图 1 还显示了 4 区刀具侧面的二次剪切。在前刀面上 2 区发生的相同剪切和粘附序列也发生在侧面。区域 4 中的事件会产生后刀面磨损，这比区域 2 中的前刀面磨损更容易预测，并且相对无害。然而，在某些工件材料中，后刀面的剪切会导致表面硬化或加工硬化，从而对切削刀具和工件产生不利影响。
积屑瘤
工件材料与刀具前刀面的粘附从薄层开始，并随着更多层的积累而形成。这个过程会导致一种称为积屑瘤的负面现象。如果大量材料堆积在刀具上，它会改变切削刃的轮廓。堆积的材料也会折断并损坏切削刃。在最坏的情况下，积屑瘤可能会沉积在工件上。在任何或所有这些情况下，积屑瘤都会使切削过程变得不可预测和不可控。摩擦学的主要重点是了解导致积屑瘤的原因以及可以采取哪些措施来最大限度地减少问题。
切削过程的两个方面会导致切屑附着在前刀面上。一个因素是切削区中存在的非常高的压力和温度。另一个因素是切屑穿过刀具前刀面的速度相对较慢，从停滞点的零运动开始。当两种材料在高压和高温下相互接触并缓慢移动时，它们相互粘附和形成积屑瘤的条件是绝佳的。
最大限度地减少粘附和形成积屑瘤的机会涉及减少切屑和前刀面之间的接触时间。最直接的解决方案是提高切割速度并使用更锋利的积屑瘤具。更快的切削速度减少了积屑瘤和工件材料相互接触的时间。由此产生的较高过程温度也会降低任何积屑瘤的强度或完全消除它。更锋利的刀具具有更高的主偏角，迫使切屑在一定时间内移动更长的距离，即移动得更快。
材料倾向
摩擦学最近受到关注，因为在 20 年前不常加工的工件材料中，形成积屑瘤的可能性要大得多。例如，在高碳钢等熟悉的材料中，会出现积屑瘤现象，但这不是一个关键问题。应用正确的加工参数通常会消除粘附并防止积屑瘤。此外，对于铸铁等极短的切屑材料也没有问题。另一方面，长切屑材料会自动在切屑和刀具之间产生更长的接触时间，从而增加它们之间的粘附风险。在加工低碳钢和铝等材料时，积屑瘤的可能性更大。
在加工具有高延展性、高粘附倾向和磨蚀性的材料时，积屑瘤最为普遍。一个典型的例子是航空航天和能源工业材料系列，包括钛合金、镍基合金和耐热金属。促进积屑瘤的其他因素是加工这些导热性差的坚韧合金时产生的高压和高温。一般来说，这些材料的切削速度通常比平均水平慢。
除了最大限度地提高切削速度和刀具锋利度外，还有一些控制积屑瘤的方法侧重于刀具的表面状况。有点令人惊讶的是，在这个问题上有两个本质上对立的思想流派。一种方法表明，如果刀具表面更光滑，则当切屑在刀具面上滑动时产生的能量将减少。较低的温度和较少的接触减少了积屑瘤的趋势。与该理论相反，概念是较粗糙的刀具表面，由微米级的脊或特征形成，将导致切屑和前刀面之间的接触减少，从而降低粘附的机会。这两种方法都没有得到充分证明，在某些情况下，任何一种方法都可能有效。
结论：通过摩擦学取得进展
摩擦学的研究和理论，以及为处理积屑瘤等问题而开发的工艺和刀具技术（见侧边栏），都集中在生产满足客户要求的机加工表面质量的目标上。除了尺寸和形状要求之外，表面粗糙度通常是定义零件质量的方式。特别是在航空航天和核应用中，表面光洁度是重中之重，因为加工缺陷可能代表关键飞机和发电部件裂纹的来源。
积屑瘤将导致表面光洁度不佳，并且需要经常更换刀具。通过包括摩擦学研究在内的努力，在限制积屑瘤的发生和影响方面取得了进展。这种进步可以用性能成本来量化：具体来说，生产一平方毫米正确加工的工件表面需要多少成本。在过去五年中，精加工钛的成本性能比提高了近 20 倍。切削刀具材料和刀具几何形状的进步为成功做出了贡献，但最重要的是两者的精心开发组合。了解刀具应用所涉及的摩擦学机制，使机械师能够控制积屑瘤等现象，并以较低的成本生产出所需的表面光洁度，从而最大限度地提高生产率和盈利能力。
摩擦学发现的应用
刀具工程师将摩擦学研究的结果应用于刀具和加工工艺的开发。在工艺方面，在许多情况下，应用更高的切削速度和锋利的切削刃几何形状可以有效地控制积屑瘤的形成。其他刀具几何形状的选择，例如使用正前角刀具，可以帮助将切削材料从工件上引导出去。
刀具涂层是减少工件材料与切削刀具粘附的行之有效的方法。传统上，TiN 等润滑涂层用于缓解钢加工中的切屑流动，铝合金加工应用中的金刚石涂层也是如此。
最近的开发工作非常强调涂层在减少积屑瘤方面的作用。例如，山高最新一代的 CVD 氧化铝 Duratomic® 涂层就基于摩擦学原理。开发工程师对涂层组件进行作，以响应对切屑和切削刀具之间相互作用的扩展知识。
旨在控制积屑瘤的山高涂层的另一个例子是为 MS2050 铣削刀片开发的新型银色 PVD 单涂层。该涂层具有高耐热性，并且在切削钛合金等粘性材料时几乎消除了积屑瘤的发生。由于没有积屑瘤，与现有刀具相比，刀片的使用寿命延长了约 50%，并且以更高的切削参数运行。
摩擦学研究的前沿是努力使积屑瘤等现象对加工生产率做出积极贡献。在某些情况下，切削刀具表面的一层薄薄的工件材料会减慢磨损的进程。挑战在于将这个刀具保护层限制在不影响刀具几何形状且不与刀具表面分离的厚度。
不断引入新的高性能合金，这些合金带来了越来越严峻的加工挑战，使摩擦学研究成为一个充满活力的领域。切削刀具和加工工艺的开发人员正在使用摩擦学提供的新视角，以创新的方式应对和解决挑战。
