表面织构刀具的研究现状与进展
*
Development and Perspective of Surface Textured Cutting Tool
山东大学机械工程学院 吴 泽 邓建新 连云崧 程宏伟 闫光远
国内外相关研究学者采用电火花、光刻、激光等加工技术在
硬质合金、高速钢等刀具上制备了尺寸从微米级到纳米级的多 种表面织构，研究了其切削加工钢、铝合金、钛合金等工件材料 的切削性能，结果表明表面织构刀具在改善刀 - 屑接触面摩擦 润滑状态、降低切削力和切削温度、延缓刀具磨损方面具有显著 的效果。
金属切削过程中，刀具与工件之 间的恶劣摩擦以及切削热的共同作 用将引起刀具磨损并降低工件加工 质量。尤其是在难加工材料的高速 切削加工过程中，切削环境更为恶
吴 泽 劣，刀具耐用度很低。因机械、热磨
博士研究生，主要从事微织构刀具
损而引起的刀具快速失效早已成为
及刀具材料摩擦磨损性能的研究。
制约切削加工技术发展的一个重要 因素，为解决这一问题，国内外众多
从事切削刀具研究的学者不断寻求
优化刀具结构、 * 国家自然科学基金项目（51075237）、山东 开发新型刀具材料、
省自然科学基金重点项目（ZR2010EZ002）、 研究刀具涂层技术以及先进切削润 教育部高等学校博士学科点专项科研基金 滑冷却工艺。
资助项目（20110131130002）和山东大学 自主创新基金项目（2011JC001）资助。
近年来，摩擦学研究领域提出了
[1-3]一种表面织构的概念 。表面织构 指利用特定的加工方法将平整的材 料表面加工为具有规则造型的非光
[4-8]滑表面。表面织构在活塞缸套 、
[9-12][13-14]
滑动轴承 、密封圈 、发动机汽 [15][16-17] 缸 、导轨 等机械零部件上的 应用研究表明，它具有改善表面润滑 状态和抗摩减磨的作用。当前，国内 外已有少数学者进行了表面织构在 切削刀具上应用的研究，研究虽处于 起步阶段，但其研究结果均证明了表 面织构具有提高刀具切削性能的功
年第 10 期 32 航空制造技术·2012
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效。
刀具表面织构的加工技术
进行织构化处理的表面因具有
[18-19][20-21] 存储润滑剂 、容纳磨屑 以及
[22-25] 提高表面润滑承载能力 等优点， 已成为当前摩擦学领域的一个研究 热点。在表面织构的应用研究进程 中，表面织构的加工技术也随之不断 发展和丰富。目前，表面织构的加工
[26]技术主要包括微切削加工 、磨削
[27][28]加工 、磨料射流加工 、电火花加 [29-32][4-10,33-34]工 、激光加工 、反应离子
[35][36][37]刻蚀 、LIGA 技术 、光刻技术 、
[38][39] 超声加工 、表面压刻技术 等，而 涉及切削刀具的表面织构的加工方 法主要有电火花加工、光刻技术、激 光加工技术。
1 刀具表面织构的电火花加工技术
电火花加工是一种利用工具电 极与工件电极之间脉冲性火花放电 产生的电腐蚀现象来蚀除工件料，以 获得一定的加工形状的非接触加工 方法。电火花加工方法能够满足用 传统机械加工方法难于加工的硬质 合金等材料的成型加工，并适用于深 孔加工及复杂形状造型。
[29-31,40-43] 作者 曾利用微细电火 花加工方法在硬质合金刀具上加 工微孔阵列，制备了微池自润滑刀 具。采用离线制作工具电极的方式 制备了直径 φ0.1mm 的紫铜电极， 使用 DZW-10 微细电火花加工机床 在硬质合金刀具前刀面刀 - 屑接触 区或后刀面易磨损带加工出了直径 φ0.15mm、深度 0.3mm 的微孔阵列 （图 1）。
[32] Koshy 等 采用电火花的加工 方法在高速钢车刀的前刀面加工了 连续面型和凹槽阵列的两种表面织 构。加工的两种表面织构示意图如 图2 所示，其中织构凹槽的宽度和深 度均约为 100μm。
2 刀具表面织构的光刻加工技术
光刻技术是一种利用照相复制
（a）前刀面 3 个孔 （b）前刀面 4 个孔
（c）后刀面 3 个孔 （d）后刀面 4 个孔
图1 硬质合金刀具前/后刀面电火花加工的微孔形
貌
面型织构
主切削刃
凹槽阵列织构
前刀面
图2 高速钢刀具前刀面的织构形式
与化学腐蚀相结合，在工件表面制备 等离子化学气相沉积法（PCVD）在
微细薄层图形的加工方法。该技术 织构表面涂覆类金刚石薄膜（DLC） 多用于半导体元器件及集成电路的 或利用直流磁控溅射法涂覆氮化钛 制作加工，文献报道最近有研究学者 （TiN）。图 3 为 Obikawa 等制备的 4 已将光刻技术引入了切削刀具表面 种 DLC 涂层微织构形貌。 织构的制备。 3 刀具表面织构的激光加工技术
[37] 激光加工是一种利用激光束照 Obikawa 等 利用光刻加工方
使材料融化气化的加工 法在硬质合金刀具前刀面制备了垂 射工件表面，
直于主切削刃的微凹槽阵列、平行于 方法。激光加工方法因能量密度高、
加工速度快以及易实 主切削刃的微凹槽阵列、微方坑阵列 加工可控性好、
被广泛应用在制 及微凸点阵列 4 种表面织构。该研 现精密加工等优点，
究首先采用直流磁控溅射的方法在 造业的诸多领域。在目前已报道的
激 硬质合金刀具基体表面涂覆厚度为 切削刀具表面织构的加工方法中，
0.5~1.2μm 的金属镍，利用湿法刻蚀 光加工技术的应用也最为广泛。按
目 的光刻技术在已涂层刀具前刀面刻 照所使用的激光加工设备的不同，
蚀出 4 种特定的织构图案，然后利用 前刀具表面织构的激光加工方法又
2012 年第 10 期·航空制造技术 33
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片前刀面刀 - 屑接触区加工了纳织 构（图 5），所加工的织构凹槽的宽度 和深度分别约为 300nm 和 400nm， 并采用非平衡磁控溅射的方法在纳 织构刀具表面涂覆了二硫化钨软涂 层。
[49] Lei 等 利用钛宝石飞秒激光 加工技术在硬质合金车刀片前刀面 刀 - 屑接触区加工了直径为几十到 几百 μm 的微孔阵列，在微孔中填充 固态或液态润滑剂（图 6），制备了微
[50-51] 池刀具。Sugihara 和 Enomoto利 用钛宝石飞秒激光加工技术在硬质 合金铣刀片前刀面加工了微纳织构 （图 7），并采用等离子化学气相沉积 或电弧离子镀方法在微纳织构表面
[52] 涂覆了类金刚石薄膜；Sugihara 等 随后仍然利用飞秒激光加工方法在 硬质合金铣刀片前刀面加工了宽度 为 20μm、深度为 5μm 的条纹状表面
[53] 织构。Kawasegi 等 也进行了类似 的研究，他们采用钛宝石飞秒激光在 硬质合金车刀前刀面分别加工了垂 直于切屑流动方向、平行于切屑流动 方向和交叉网格状的 3 种表面微纳 凹槽织构，凹槽的宽度和深度大约分 别为 5μm 和 1.5μm。
100μm （a）垂直于主切削刃的微凹槽阵列
100μm （b）平行于主切削刃的微凹槽阵列
100μm （c）微方坑阵列
100μm （d）微凸点阵列
图3 刀具表面的DLC涂层微织构形貌
500μm （a）椭圆状织构
500μm （b）平行于主切削刃的织构 图4 微织构自润滑刀具形貌
500μm （c）直线状织构
分为 Nd∶YAG 激光加工和钛宝石飞 应用和发展。最近，本课题组利用钛 秒激光加工两类。 宝石激光加工方法在硬质合金车刀 1 表面织构刀具的切削性能
[44-47] 作者 利用 Nd∶YAG 激光打 标机在硬质合金车刀片前刀面刀 - 屑接触区加工了多种微凹槽织构，并 在织构凹槽中填充二硫化钼固体润 滑剂，制备了微织构自润滑刀具（图 4）。所加工的织构凹槽的宽度和深 度分别约为 50μm 和 100μm。李亮
400μm 20μm 10μm [48] 等 同样利用激光打标机在硬质
合金 YG8 车刀的前刀面加工了宽度 27μm、深度 12μm 的微沟槽阵列。
飞秒激光因具有飞秒级超短脉 冲、非常高的瞬时功率和精确的聚焦 性能，在医学、超精细微加工、高密度 信息存储和记录等方面得到了快速
500μm 10μm 4μm 表面织构刀具的切削性能及
其作用机理
年第 10 期 34 航空制造技术·2012
图5 飞秒激光加工的刀具前刀面纳织构形
貌
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300μm 1mm 细针
1mm 具的使用寿命相比普通刀具提高了 15% 左右（图 12）。
[49] Lei 等 利用飞秒激光在硬质 合金刀具前刀面加工了微孔阵列，在 微孔中填充液态或固态润滑剂，制 备了微池刀具，并对其进行了车削 冷轧 1045 钢的切削试验。结果得到 了与本研究类似的结论：与普通刀
图6 飞秒激光加工的刀具前刀面微织构形貌
120
普通刀具 微池自润滑刀具
100
主切削力 Fz /N
80
60
150μm 40
60
100
140
180
-1150μm （b）微池自润滑刀具
220 （a）普通刀具
切削速度 /（m·min） （a）主切削力
60
图8 微池自润滑刀具与普通刀具的前刀面磨损情况对比
(v =220m/min, ap =0.2mm, f =0.1mm/r, 切削时间3min)
普通刀具
微池自润滑刀具
45
轴向力 Fx /N
30
15
不同的表面织构加工方法所加 具相比，这种微池刀具使切削力降
工的刀具表面织构具有不同的微观 低 10%~30%，刀 - 屑接触长度降低 结构，刀具表面织构的结构形式对刀 30% 左右。
[53] 具的切削性能具有一定的影响。 Kawasegi 等 使用其制备的
本课题组对制备的微池自润滑 微纳织构刀具进行了最小微量润滑 刀具进行了干车削 45# 淬火钢的切 （MQL）条件下车削 A5052 铝合金的 削试验。结果表明，相比普通的硬质 试验研究。结果表明，在最小微量 合金刀具，这种微池自润滑刀具能 润滑切削条件下，当切削速度高于 够使切削力降低 25%~35%（图 7）， 400m/min 时，微纳织构刀具相比普 切削温度降低 15%~20% ；在前刀面 通刀具能够有效减少铝合金材料的 刀 - 屑接触区加工微孔并填充固体
润滑剂能够有效降低刀具与切屑的 1100
平均摩擦系数，减轻工件材料粘结及
刀具磨损（图 8）；在后刀面加工微孔 900 并填充固体润滑剂能够有效延缓刀
具后刀面磨损。随后又制备了微织
构自润滑刀具（图 4），并对其进行了 700 干车削 45# 钢和 Ti-6Al-4V 的试验
[44-47]
研究 。结果表明，无论是切削钢 普通刀具 前刀 500 或钛合金，这种微织构自润滑刀具与 面织构刀具 后
刀面织构刀具 普通硬质合金刀具相比均能够降低
300 切削力和切削温度（图 9），减小切屑
60 90 120 150 180
变形（图 10 和图 11）并增大切屑卷
切削速度 /（m·min-1） 曲；在切削钛合金试验中，微织构刀
切削温度 /℃ 图9 微织构刀具与普通刀具切削Ti-6Al-4V
的切削温度对比(ap=0.2mm, f =0.1mm/r)
0 60
100 140 180
-1
220
切削速度 /（m·min ） （b）轴向力
115 100
普通刀具
微池自润滑刀具
径向力 Fy /N 85 70 55 40
60
100 140 180 220
-1
切削速度 /（m·min ）
（c）径向力
图7 微池自润滑刀具与普通刀具切削45#
淬
火钢的切削力对比(ap =0.2mm, f =0.1mm/r)
2012 年第 10 期·航空制造技术 35
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一步提高刀具的切削性能。Sugihara 等利用飞秒激光在硬质合金铣刀片 前刀面加工了微纳织构，然后在刀具
酚醛树脂
表面涂覆类金刚石薄膜（DLC），制备
[50-51]
了 DLC 涂层微纳织构刀具 。使
切屑 切屑
用该刀具进行铣削 A5052 铝合金的 试验结果表明，在润滑液作用下，涂 层微纳织构刀具相比普通刀具具有 良好的抗粘结能力；微纳织构刀具 的抗粘结作用与织构的结构形式有
100μm 100μm 关，带状微纳织构刀具的抗工件材料
粘结的效果优于均匀分布微纳织构
（a）普通刀具 （b）前刀面织构刀具
刀具。
图10 微织构刀具与普通刀具切削Ti-6Al-4V的切屑厚度对
Obikawa 等利用光刻技术在硬质 比
(ap=0.2mm, f =0.1mm/r, v=180m/min) 合金车刀前刀面加工了 4 种微织构
（垂直于主切削刃的微凹槽阵列、平
2.5 试验在浇注切削液条件下进行，分别 行于主切削刃的微凹槽阵列、微方坑
采用了连续和断续两种直角切削方 阵列和微凸点阵列），在织构表面涂
式。结果表明，无论是在连续还是断 覆了类金刚石薄膜 （DLC）或氮化钛
[37]2.0 续切削条件下，表面织构刀具相比普 （TiN），制备了涂层微织构刀具 。
通刀具均能够降低切削力；连续面 使用该涂层微织构刀具进行直角切
型织构刀具改善切削性能的效果要 削 A6061 铝合金的试验研究，结果 优于凹槽阵列织构刀具；表面织构 表明，1.5 在使用切削液润滑条件下，平 普通刀具
刀具降低切削力的效果与切削参数、 行于主切削刃的微凹槽阵列和微凸
前刀面织构刀具
表面织构的密度、偏度和峰度等参数 点阵列两种织构形式的涂层微织构 有密切的关系。 1.0 刀具相比未织构的普通刀具能够有
60 90 120 150 180 [48] 李亮等 使用其制备的微织构 效降低前刀面的摩擦系数和摩擦力；
切削速度 /（m·min-1）
车刀进行了最小微量润滑条件下直 单元织构宽度的减小和织构深度的
图11 微织构刀具与普通刀具切削Ti-6Al-4V
角切削 Ti-6Al-4V 的试验研究。结 增加都将有助于提高涂层微织构刀
的 切屑变形系数对比(ap=0.2mm, f =0.1mm/r)
果表明，表面微沟槽结合微量润滑可 具的切削性能。 以有效改善刀 - 屑摩擦状况，降低切 2000
普通刀具 前刀削力和切削温度；同时，表面微织构 面织构刀具 后 的置入在润滑条件下可有效改善钛
1500 刀面织构刀具
合金的粘结状况。
刀具涂层具有耐磨或润滑的作 2 表面织构刀具改善切削性能的
1000 用，将涂层与表面织构相结合能够进 作用机理
刀具寿命 /s 切屑变形系数 切削试验研究表明，表面织构能
500 0
60
够有效提高刀具的切削性能。认为
90
120
150
切削速度 /（m·min-1）
粘结的铝合金
180
图12 微织构刀具与普通刀具切削Ti-6Al-4V
的刀具寿命对比(ap=0.2mm, f =0.1mm/r)
粘结（图 13），从而减小刀具表面的 摩擦系数、降低切削力。
[32] Koshy 等 使用其制备的表面 织构高速钢车刀（图 2）进行了切削 1045 钢和 6061 铝合金的试验研究，
年第 10 期 36 航空制造技术·2012
100μm （a）普通刀具
（b）微纳织构刀具
100μm 图13 微纳织构刀具与普通刀具切削铝合金时刀具表面粘结形貌对比
(v =600m/min, f =0.1mm/r, a =0.2mm) p
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工件 l f 切屑 工件 d 切屑 工件 切屑 润滑模 微织构刀具 刀具 刀具 surface texture on boundary lubricated sliding contacts.
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[4] Ronen A, Etsion I, KligermanY. Friction-reducing surface-texturing in reciprocating automotive components. Tribology Transactions, 2001, 44(3): 359-366.
[5] Ryk G, Kligerman Y, Etsion I, et al. Experimental investigation of partial laser surface texturing for piston-ring friction reduction.
图14 微织构自润滑刀具切削过程中前刀面润滑膜形成示意图
500 400 300 200 100
250μm （a）SEM 形貌
500 400 300 200 100
0 0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000μm 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000μm
（c）Mo 元素分布 （b）S 元素分布
v 图15 微织构自润滑刀具切削Ti-6Al-4V后的前刀面磨损形貌以及对应的S元素和Mo元素的线分布(ap =0.2mm, f =0.1mm/r,
=60m/min)
表面织构改善刀具切削性能的作用 内外相关研究学者采用电火花、光 机理主要包括两个方面：第一，在刀 刻、激光等加工技术在硬质合金、高 具前刀面加工表面织构有利于润滑 速钢等刀具上制备了尺寸从微米级 剂存储，能够提高刀具的润滑效果； 到纳米级的多种表面织构，研究了其 其次，表面织构的存在能够减少刀 - 切削加工钢、铝合金、钛合金等工件 屑实际接触面积。图 14 给出了微织 材料的切削性能，结果表明表面织构 构自润滑刀具切削过程中前刀面润 刀具在改善刀 - 屑接触面摩擦润滑 滑膜形成示意图，在切屑摩擦挤压作 状态、降低切削力和切削温度、延缓 用下，填充在微织构中的润滑剂拖 刀具磨损方面具有显著的效果。表 覆在前刀面形成润滑膜。图 15 为微 面织构刀具是一种极具发展潜力的 织构自润滑刀具切削 Ti-6Al-4V 后 刀具，已成为当前切削刀具研究领域 的前刀面磨损形貌以及 S 元素和 Mo 的一个研究热点，在今后的研究中应 元素的线分布情况，可以看出，固体 更加注重尺寸更小的纳织构在刀具 润滑剂 MoS2 在切屑的摩擦挤压作 上的应用，同时加强表面织构与涂层 用下拖覆分布于前刀面。表面织构 等表面改性技术的结合，以进一步提 刀具前刀面润滑性能的提高和刀 - 高表面织构刀具的切削加工性能。 屑接触面积的减小都将降低切屑与 刀具之间的摩擦力，从而降低切削 力、切削温度，并减缓刀具磨损。
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本文共有参考文献 53 篇，因篇
表面织构刀具是一种在刀具前 surface texturing. Journal of Tribology, 2005, 幅所限未能一一列出，如有需要请向 刀面加工一定规则形貌以改善刀具 127(1): 248-253. 本刊编辑部索取。
[3] Pettersson U, Jacobson S. Influence of 切削摩擦润滑状态的新型刀具。国 （责编 良辰）
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结束语
表面织构刀具的研究现状与进展
