微织构对阶梯钻磨损的影响研究

肖月美

摘 要：本文对M35高速钢阶梯钻进行了钻削试验，研究了微织构对刀具磨损的影响。结果表明，微织构可以提高阶梯钻的耐磨性能。

关键词：M35高速钢;微织构;磨损

中图分类号：TG711文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）05-0140-02

Abstract： In this paper， a drilling test was performed on the M35 high-speed steel step drill and the effect of microtexture on tool wear was studied. The results show that microtexture can improve the wear resistance of step drills.

Keywords： M35 high-speed steel;microtexture;wear

刀具在使用过程中与工件之间产生剧烈的挤压、摩擦，刀具磨损是影响加工效率、质量和成本的重要因素。表面微织构是指通过一定的加工技术在摩擦副表面加工出具有一定尺寸和均匀分布的微小凹坑或凸包等图案[1]，研究发现，合理的表面微织构对切削过程中刀具的摩擦状况能够起到改善作用，从而有效地减缓刀具的磨损，这给刀具与工件表面的减摩提供了新的研究方向[2-5]。本文研究了微织构对M35高速钢阶梯钻磨损的影响。

1 试验材料及方法

试验刀具选用的是扬州某刀具企业生产的M35高速钢标准阶梯钻。本研究采用台式光纤激光打标机，在阶梯钻主切削刃上加工出槽宽0.1 m、间隙0.1 mm的沟槽型微织构。

钻削试验在立式加工中心进行，通常在评定刀具切削性能时，以后刀具刀面的磨损量作为磨钝的衡量标准[5]。使用DC6000X型体视式显微镜测定VB值，使用XL30型环境扫描电子显微镜对刀具表面磨损形貌进行观察，并进行EDS分析。

2 试验结果和分析

2.1 阶梯钻钻削试验结果分析

无织构和微織构阶梯钻进行钻削不锈钢后，阶梯钻刀具后刀面的磨损情况如图1所示。

由图1可见，后刀面的磨损量会随着钻孔数量的增加而不断增加，对于无织构和微织构阶梯钻来说，在钻削60个孔后，刀具的磨损值VB均未达到刀具的磨钝标准0.3 mm。

无织构和微织构刀具的磨损值VB变化趋势相近，在钻削20个孔之前，后刀面的磨损较快;钻削20～30个孔，后刀面磨损相对较慢，钻削30个孔后，图中磨损曲线明显上升，刀具后刀面进入了快速磨损阶段;无织构刀具后刀面的磨损量总体上比微织构刀具快。微织构刀具的后刀面磨损量明显降低。

2.2 后刀面的磨损形貌

图2是钻削了120个孔后的微织构刀具后刀面的磨损形貌。由图2可见，微织构刀具的主切削刃有明显的崩刃现象，但是微织构区域崩刃情况较轻，无织构区域情况严重。图3为局部微织构区域放大图，由图3可以看到，后刀面上积聚有大量的粘结物，由于微织构可以捕捉粘结物，从而分散并减小了粘结区域面积，因此沟槽微织构可以明显地减轻刀具粘结情况。

2.3 磨损机理

在金属切削过程中，由于高温、高压的切削环境，刀具的前刀面和后刀面与切屑、工件材料接触并发生相对滑动和摩擦，造成刀具的磨损。由图3可知，刀具微织构的边缘有大量的粘结物，EDS分析可知，粘结物有Ni元素，可以推断粘结物应是来自被钻削的不锈钢材料。在钻削过程中，部分切削热通过切屑排出，但由于钻孔时钻头与工件之间形成半封闭的切削环境，加上钻头螺旋槽的排屑结构，导致切屑排出容易受阻，切削热不易排出。高速钻削产生的热量多，热量不易排出，导致刀具和工件局部温度升高，刀具和工件材料屈服强度降低，刀具切削刃附近表面更容易粘结大量的工件材料，还容易引起刀具表面剥落，并引起更加严重的粘结磨损[5]。

图4为刀具的磨粒磨损形貌图，其中有明显典型磨粒磨损特征的犁沟状划痕。造成刀具磨粒磨损的主要物质是切削过程中工件材料产生的细小切屑、工件材料中存在的硬质相以及从刀具表面粘结剥落的细微硬质颗粒，这些物质在钻削过程中与刀具表面反复接触、摩擦，在刀具表面留下一道道沟纹方向与切屑流动方向一致的犁沟状划痕，从而形成刀具磨粒磨损。

对于切削过程中产生的切屑，通常，边缘形状是不规则的，在摩擦过程中容易形成更小的磨粒，划伤刀具表面。在钻削过程中，切屑主要与刀具前刀面接触，因此前刀面附近是发生刀具磨粒磨损的主要区域，而刀具后刀面是与光滑的工件表面接触，磨粒磨损的情况较少发生，所以后刀面上磨粒磨损的痕迹不明显。

3 结语

本文研究并讨论了微织构对M35高速钢阶梯钻磨损的影响，在本试验条件下，微织构可以提高阶梯钻的耐磨性能。

参考文献：

[1]Etsion I.Improving tribological performance of mechanical components by laser surface[J].Tribology Letters，2004（4）：733-737.

[2]Silva W M D，Suarez M P，Machado A R，et al.Effect of laser surface modification on the micro-abrasive wear resistance of coated cemented carbide tools[J].Wear，2013（1）：1230-1240.

[3]杨超，刘小君，杨海东，等.表面织构对刀具切削性能及前刀面摩擦特性的影响[J].摩擦学学报，2015（2）：228-235.

[4]Tatsuya Sugihara，Toshiyuki Enomoto.Crater and flank wear resistance of cutting tools micro textured surfaces[J].Precision Engineering，2013（4）：88-96.

[5]郭大林.微织构内冷麻花钻高速钻削Ti6Al4V的试验研究[D].苏州：苏州大学，2018.