Page 143 - 《摩擦学学报》2021年第5期

732 摩 擦 学 学 报 第 41 卷

friction speed benefiting from the increased fluid flow rate. When the sliding friction speed varied from 30 m/s to
45 m/s, the dynamic pressure of the oil film increased about 54.87%. However, the bearing capacity was firstly improved
and then attenuated with the increase of radial depth of cut. This can be attributed to the combined action of the wedging
effect and the reverse flow phenomenon occurred during the sliding friction process. For surfaces ball-end milled with a
small radial depth of cut, the vortex area was relatively small due to the small inertia resistance of lubricating oil. This
meant that the wedging effect played a more important role in leading to the significant bearing capacity. Nevertheless,
the wedging effect for surfaces high speed ball-end milled with a large radial depth of cut was seriously weakened
because of the improved inertial resistance of lubricating oil and the strengthened reverse flow phenomenon. In this
paper, the surfaces high speed ball-end milled with radial depth of cut 0.3 mm showed the best anti-friction performance
from lubricating oil bearing capacity point of view. The findings of this paper can not only guide the selection of cutting
parameters of high speed ball-end milled surfaces with anti-friction performance requirements, but also contribute to the
realization of high-performance manufacturing of large and complex dies and molds.
Key words: high speed ball-end milling; micro-groove; radial depth of cut; bearing capacity; friction coefficient

表面织构作为改善工件表面摩擦学性能的一种 模具的高性能制造提供一定的指导.

有效手段，其在减小摩擦系数、提高表面承载能力及
1 高速球铣加工表面微沟槽形貌形成方法
降低表面磨损等方面具有良好表现，逐渐成为摩擦学
领域的研究热点 [1-2] . 摩擦副表面织构的特征主要表现 球头铣刀的切削刃使其在高速球铣加工的表面
为微凹坑与微沟槽，由于微沟槽更能明显改变表面的 会留下明显刀痕，两相邻进给运动间可产生间歇进给
[3]
[4]
接触状态，进而得到了广泛的应用 . 孙建芳等 分别 残留 ，图1为高速球铣加工过程中，表面产生的间歇
[12]
在干摩擦与油润滑条件下分析了不同织构的摩擦性 进给残留示意图. 建立如图1所示的直角坐标系，X轴
能，发现与未织构表面相比，织构表面的减摩效果更 与加工表面间的距离为L，Y轴垂直于加工表面. 假设
[5]
优. 苏峰华等 进一步研究了润滑工况下不锈钢表面 球头铣刀半径为r，轴向切深参数为a ，径向切深参数
p
不同深度微沟槽的摩擦性能，结果表明，微沟槽深度 为a ，则球头铣刀局部切削刃在XOY二维坐标系中可
e
的变化显著影响不锈钢表面的摩擦性能，且当微沟槽
由式(1)表示.
[6-7]
深度为10 μm时，产生的楔形效应最好. Etsion 利用 2 2
(x−ktanθ) +(y−k) = r 2 (1)
激光加工技术加工了微凹坑及微沟槽织构，发现织构
，
表面摩擦力最多能降低40%，并指出了部分织构可以 式中： k = L−a p +r tanθ = ( a e ).
2 L−a p
[8]
显著增强油膜的承载能力. Shi等 建立了用于计算流 利用间歇进给残留高度顶点P的坐标值可推出残
体动压润滑的CFD模型，认为油膜承载能力的变化主 留高度h的值，如式(2)所示.
要取决于微沟槽的数量与尺寸. Ali 研究了横向浅槽 ( ) √
[9]
2
2
h =y p − L−a p = k + r −k tan θ − L+a p =
2
织构对油膜厚度及摩擦的影响，发现采用横向浅槽织 √
a 2
构可以显著提高油膜厚度，且若其沟槽长度不大于赫 k + r −k 2 ( e ) 2 − L+a p (2)
2
4 L−a p
兹接触直径则摩擦性能更好.
表面织构的加工方法主要有激光加工 [4-7] 、电解加 根据公式(1)和(2)得到：
[10]
工、表面喷丸处理 等. 球铣加工常被作为拉制模、拉
Y
延模等模具最后一道加工工序，且球头铣刀的刃形特 Ball-end milling cutter
[11]
点及走刀方式使球铣加工能够产生可控的表面形貌 .
Workpiece
高速球铣加工表面微沟槽形貌的形成方法及其摩擦 r
a p P
P
特性的规律仍处于研究之中，因此，本文作者通过
θ h
Matlab形貌仿真与切削加工试验，确定高速球铣加工 L
a e
表面微沟槽形貌的生成方法，并基于流体动压润滑理
O X
论，结合Fluent流体仿真与滑动摩擦试验，研究其在润
Fig. 1 Schematic diagram of intermittent feed residue
滑工况下的承载能力，探究直接利用高速球铣加工产 generation
生的表面微沟槽形貌进行减摩的可行性，为大型复杂 图 1 间歇进给残留形成示意图