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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：自润滑金属切削刀具; 结构设计; 优化设计
引言
随着人类环保意识的不断增强，绿色制造已经成为了制造业的必然发展趋势。干切削加工作为绿色制造的具体实施方式，长期以来一直是切削加工领域的一个研究热点。但是，干切削加工过程中没有冷却液的润滑、冷却及排屑作用，切削条件恶化，可能会导致刀具磨损及失效加剧、工件加工质量下降。
为了克服完全干切削加工存在的不利影响，近年来出现了很多新型干式切削加工工艺：低温冷风干切削技术、静电冷却干切削技术、液氮冷却干切削技术、最小润滑亚干切削技术等。这些新型干式切削加工工艺的实施缓解了完全干切削加工存在的加工恶化问题，但其辅助冷却工艺较繁琐，同时增加了工件的切削加工成本。
1常见的自润滑刀具种类及特点
1.1添加固体润滑剂的自润滑刀具
此类刀具是指将MoS2、WS2、CaF2等固體润滑剂直接添加到基体刀具材料中，受切削过程中的摩擦、挤压等作用，固体润滑剂析出，在刀具的前刀面上拖覆形成固体润滑膜，实现自润滑功能。综合目前的研究，作者根据刀具基体材料的不同，将此类自润滑刀具归纳为三种：基于陶瓷基的添加固体润滑剂的自润滑刀具、基于硬质合金或高速钢基体的微池自润滑刀具和微织构自润滑刀具。
（1）基于陶瓷基的添加固体润滑剂的自润滑刀具。通过合理的组分设计和化学相容性分析，设计制备出含有固体润滑剂的自润滑陶瓷刀具。通过与未添加固体润滑剂的A12O3/TiC刀具切削铸铁和45号钢的性能对比试验，表明A12O3/TiC/CaF2刀具材料具有较好的减摩抗磨作用。
（2）微池自润滑刀具。在刀具的刀-屑接触部位通过特种加工方法加工出微孔阵列，在微孔中添加固体润滑剂，切削时受热膨胀、摩擦及挤压作用，固体润滑剂被挤压出微孔，继而在刀具表面拖覆形成固体润滑膜，实现自润滑。宋文龙等通过有限元分析手段，优化确定了微孔的结构参数，采用电火花加工方法，在YT14硬质合金刀具基体上加工出微孔，在微孔里添加MoS2、CaF2、石墨（C）等固体润滑剂，制备出微池自润滑刀具。研究表明：添加MoS2的微池自润滑刀具与传统的YT14硬质合金刀具在相同的切削条件下切削45号淬火钢（HRC35-40），三向切削力均约下降了30%左右;切削温度下降了20%左右;前刀面的摩擦系数显著降低;后刀面的磨损量降低了约15%。
1.2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。
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、阻止黏结、降低切削力和切削温度、减小刀具磨损的目的。与普通的TiN等硬涂层刀具不同，软涂层自润滑刀具是通过在刀具表面沉积具有润滑性能的涂层，能够在切削过程中起到良好的减摩润滑作用。在切削温度较低时（<400℃），选用具有六方晶层状结构的硫化物，如MoS2、WS2、MoS2/Ti（Mo、Cr、Zr等）及WS2/W等，其优点是与工件材料组成的摩擦副的摩擦系数很低，大约只有0.1;而当切削温度较高时（1000℃左右），软金属Ni、W、Al、Ti等则具有更好的减摩效果。在研究中设计了4种软涂层自润滑刀具，分别是纯MoS2涂层自润滑刀具，MoS2/Ti涂层自润滑刀具，MoS2/Zr涂层自润滑刀具和MoS2/Cr涂层自润滑刀具（如图5所示）。当基体材料为YT15时，通过残余热应力分析可知，涂层与基体间热膨胀系数与沉积温度的差异是影响涂层系统残余热应力大小的主要因素，过渡层的添加有助于降低残余热应力、减小界面的应力梯度。MoS2/Zr涂层自润滑刀具的残余热应力值较纯MoS2涂层以及其他含金属过渡层的MoS2涂层都要低得多。通过摩擦试验发现，MoS2/Zr涂层的摩擦系数和磨损量较纯MoS2涂层均显著降低。对摩擦球表面磨损形貌和成分的分析表明，MoS2/Zr“软”涂层材料与对摩材料表面之间所形成的转移润滑膜是影响材料摩擦磨损性能的关键因素之一。由于摩擦副转移膜的存在，涂层和对摩材料的摩擦转变为涂层和转移膜之间的“内”摩擦，从而降低了摩擦过程的摩擦系数，提高了材料的耐磨性能。
2.结语
总之，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。
参考文献：
[1]曹同坤.自润滑陶瓷刀具的设计开发及其自润滑机理研究[D].济南：山东大学，2005.
[2]宋文龙，邓建新，吴泽.镶嵌固体润滑剂的自润滑刀具切削温度的研究[J].农业机械学报，2010，41（1）：205-210.
[3]宋文龙，邓建新，王志军.微池润滑刀具干切削过程中的减摩机理[J].摩擦学学报，2009，29（2）：103-108.
[4]吴泽，邓建新，亓婷，等.微织构自润滑刀具的切削性能研究[J].工具技术，2011，45（7）：18-22.
关键词：自润滑金属切削刀具; 结构设计; 优化设计
引言
随着人类环保意识的不断增强，绿色制造已经成为了制造业的必然发展趋势。干切削加工作为绿色制造的具体实施方式，长期以来一直是切削加工领域的一个研究热点。但是，干切削加工过程中没有冷却液的润滑、冷却及排屑作用，切削条件恶化，可能会导致刀具磨损及失效加剧、工件加工质量下降。
为了克服完全干切削加工存在的不利影响，近年来出现了很多新型干式切削加工工艺：低温冷风干切削技术、静电冷却干切削技术、液氮冷却干切削技术、最小润滑亚干切削技术等。这些新型干式切削加工工艺的实施缓解了完全干切削加工存在的加工恶化问题，但其辅助冷却工艺较繁琐，同时增加了工件的切削加工成本。
1常见的自润滑刀具种类及特点
1.1添加固体润滑剂的自润滑刀具
此类刀具是指将MoS2、WS2、CaF2等固體润滑剂直接添加到基体刀具材料中，受切削过程中的摩擦、挤压等作用，固体润滑剂析出，在刀具的前刀面上拖覆形成固体润滑膜，实现自润滑功能。综合目前的研究，作者根据刀具基体材料的不同，将此类自润滑刀具归纳为三种：基于陶瓷基的添加固体润滑剂的自润滑刀具、基于硬质合金或高速钢基体的微池自润滑刀具和微织构自润滑刀具。
（1）基于陶瓷基的添加固体润滑剂的自润滑刀具。通过合理的组分设计和化学相容性分析，设计制备出含有固体润滑剂的自润滑陶瓷刀具。通过与未添加固体润滑剂的A12O3/TiC刀具切削铸铁和45号钢的性能对比试验，表明A12O3/TiC/CaF2刀具材料具有较好的减摩抗磨作用。
（2）微池自润滑刀具。在刀具的刀-屑接触部位通过特种加工方法加工出微孔阵列，在微孔中添加固体润滑剂，切削时受热膨胀、摩擦及挤压作用，固体润滑剂被挤压出微孔，继而在刀具表面拖覆形成固体润滑膜，实现自润滑。宋文龙等通过有限元分析手段，优化确定了微孔的结构参数，采用电火花加工方法，在YT14硬质合金刀具基体上加工出微孔，在微孔里添加MoS2、CaF2、石墨（C）等固体润滑剂，制备出微池自润滑刀具。研究表明：添加MoS2的微池自润滑刀具与传统的YT14硬质合金刀具在相同的切削条件下切削45号淬火钢（HRC35-40），三向切削力均约下降了30%左右;切削温度下降了20%左右;前刀面的摩擦系数显著降低;后刀面的磨损量降低了约15%。
1.2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。
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、阻止黏结、降低切削力和切削温度、减小刀具磨损的目的。与普通的TiN等硬涂层刀具不同，软涂层自润滑刀具是通过在刀具表面沉积具有润滑性能的涂层，能够在切削过程中起到良好的减摩润滑作用。在切削温度较低时（<400℃），选用具有六方晶层状结构的硫化物，如MoS2、WS2、MoS2/Ti（Mo、Cr、Zr等）及WS2/W等，其优点是与工件材料组成的摩擦副的摩擦系数很低，大约只有0.1;而当切削温度较高时（1000℃左右），软金属Ni、W、Al、Ti等则具有更好的减摩效果。在研究中设计了4种软涂层自润滑刀具，分别是纯MoS2涂层自润滑刀具，MoS2/Ti涂层自润滑刀具，MoS2/Zr涂层自润滑刀具和MoS2/Cr涂层自润滑刀具（如图5所示）。当基体材料为YT15时，通过残余热应力分析可知，涂层与基体间热膨胀系数与沉积温度的差异是影响涂层系统残余热应力大小的主要因素，过渡层的添加有助于降低残余热应力、减小界面的应力梯度。MoS2/Zr涂层自润滑刀具的残余热应力值较纯MoS2涂层以及其他含金属过渡层的MoS2涂层都要低得多。通过摩擦试验发现，MoS2/Zr涂层的摩擦系数和磨损量较纯MoS2涂层均显著降低。对摩擦球表面磨损形貌和成分的分析表明，MoS2/Zr“软”涂层材料与对摩材料表面之间所形成的转移润滑膜是影响材料摩擦磨损性能的关键因素之一。由于摩擦副转移膜的存在，涂层和对摩材料的摩擦转变为涂层和转移膜之间的“内”摩擦，从而降低了摩擦过程的摩擦系数，提高了材料的耐磨性能。
2.结语
总之，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。
参考文献：
[1]曹同坤.自润滑陶瓷刀具的设计开发及其自润滑机理研究[D].济南：山东大学，2005.
[2]宋文龙，邓建新，吴泽.镶嵌固体润滑剂的自润滑刀具切削温度的研究[J].农业机械学报，2010，41（1）：205-210.
[3]宋文龙，邓建新，王志军.微池润滑刀具干切削过程中的减摩机理[J].摩擦学学报，2009，29（2）：103-108.
[4]吴泽，邓建新，亓婷，等.微织构自润滑刀具的切削性能研究[J].工具技术，2011，45（7）：18-22.