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(1.南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210037；2.南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，江蘇 南京 210037；3.山西航天清華裝備有限責(zé)任公司，山西 長治 046012)

隨著制造業(yè)的發(fā)展和社會需求的日益增長，越來越多新材料、難加工材料被創(chuàng)造產(chǎn)生，這對木工刀具的切削效率及切削壽命提出了更高的要求，木工刀具的耐磨性能需要得到進一步的提高。在加工木質(zhì)材料過程中，木工刀具失效的主要形式是磨損和腐蝕，損耗和浪費了大量的材料[1]。

在木質(zhì)材料加工中，切削是應(yīng)用最久、適用范圍最廣的加工方式，木工刀具的切削對象是多組分、復(fù)雜的混合體。在高速的切削中刀具會發(fā)生一系列化學(xué)、物理反應(yīng)，木工刀具的磨損是磨料磨損、化學(xué)磨損、腐蝕磨損多種形式綜合導(dǎo)致的，影響了加工效率及加工產(chǎn)品的表面質(zhì)量[2]。因此，研究木工刀具材料磨損機理，對延長刀具的使用壽命、提高耐用度及加工產(chǎn)品的表面質(zhì)量有著積極重要的意義。

評價木工刀具耐磨性最常用的是開展木質(zhì)材料的切削實驗，但木工刀具的磨損是一個多因素綜合造成的結(jié)果，與材料、刀具角度、速度、進給量都有密切的聯(lián)系，因此很難確認(rèn)這幾種因素綜合造成的影響，從而得到確切令人信服的結(jié)論。在開展切削實驗的同時進行摩擦磨損實驗，以摩擦副的形式系統(tǒng)地表征各因素對刀具材料磨損所造成的影響，這兩者之間可以相互印證，更深刻地探究木工刀具材料磨損機理及規(guī)律[3-5]。

本文總結(jié)了木工刀具的主要磨損原因，從摩擦系數(shù)與磨損率入手，分析了載荷、滑動速度、溫度、硬度等因素對木工刀具摩擦磨損機理的影響，總結(jié)現(xiàn)在有廣泛應(yīng)用前景及重要研究價值的木工刀具有效抗磨技術(shù)，分析其優(yōu)缺點。

1 木工刀具的磨損原因

木質(zhì)材料作為不均質(zhì)材料，其中有著類似節(jié)子的硬質(zhì)點，很容易在加工過程中造成木工刀具的損傷。當(dāng)木工刀具和其相接觸的木質(zhì)材料發(fā)生相對運動時，接觸表面的物質(zhì)會不斷損失，產(chǎn)生殘余變形或者其他損失，如崩刃、損傷等。磨損分析的主要目的是研究在不同的工作條件下木工刀具與木質(zhì)材料的摩擦規(guī)律，磨損特性以及磨損機理[6-7]。

根據(jù)木工刀具磨損特征和破環(huán)機理可以將磨損形式分成四類[8]：

(1)磨料磨損。木質(zhì)材料常常是不均質(zhì)的，因此會包含一些硬質(zhì)點(如節(jié)子、沙石、膠層等)，當(dāng)硬度較大的顆粒在切削力的作用下，在刀具上產(chǎn)生擦傷并在前、后刀面上留下劃痕、壟溝等導(dǎo)致的木工刀具的磨損，稱為磨料磨損[9-11]。

(2)黏著磨損。摩擦副之間產(chǎn)生相對滑動時，微觀表面仍然是凹凸不平的，所以兩個物件接觸只是局部接觸，在垂直方向的載荷作用下，真實接觸面上會產(chǎn)生局部塑性變形。隨著黏結(jié)效應(yīng)這些相互接觸的結(jié)點發(fā)生剪切斷裂，斷裂的材料成為碎屑，或者是轉(zhuǎn)移到另一方材料表面，造成木工刀具表面材料的損失是為黏著磨損。木質(zhì)材料中有著豐富的膠類物質(zhì)，隨著切削進程的不斷進行，這些物質(zhì)黏附在木工刀具上，增大了刀具與工件之間的摩擦、加快了木工刀具的磨損、影響加工表面質(zhì)量[12]。

(3)疲勞磨損。兩個摩擦副的表面在進行滑動復(fù)合摩擦?xí)r，通過交變應(yīng)力作用，經(jīng)過多力循環(huán)后，在表面部分區(qū)域有小塊材料剝落的現(xiàn)象，叫疲勞磨損(或點蝕和麻點)[13]。

(4)腐蝕磨損。摩擦副表面在相對滑動過程中，材料與周圍介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)或化學(xué)作用導(dǎo)致的磨損為腐蝕磨損。在木質(zhì)材料加工中木工刀具常見的腐蝕磨損形式是氧化腐蝕磨損、化學(xué)腐蝕磨損及電化學(xué)腐蝕磨損。氧化磨損是木工刀具表面氧化膜重復(fù)氧化-脫落的過程?；瘜W(xué)腐蝕磨損及電化學(xué)腐蝕腐蝕磨損原因是木工刀具工作環(huán)境中存在或切削過程中產(chǎn)生的酸、堿、鹽等物質(zhì)，產(chǎn)生化學(xué)或者電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的腐蝕[14]。

2 衡量木工刀具材料磨損性能的重要參數(shù)

摩擦系數(shù)和磨損率是摩擦磨損過程中兩個很重要的參數(shù)[15]。在研究木工刀具材料的摩擦磨損性能時，一是通過切削實驗，觀察分析刀具前、后刀面磨損情況，二是將木工刀具材料和工件做成摩擦副，以摩擦副的形式系統(tǒng)地表征各因素對木工刀具材料磨損所造成的影響。

2.1 摩擦系數(shù)

以MMG-10型高溫摩擦磨損試驗機為例，摩擦系數(shù)測試原理如圖1所示，試驗采用銷盤式摩擦方式。

圖1 摩擦系數(shù)測試示意圖

摩擦因數(shù)計算公式為：

(1)

式中：μ為摩擦系數(shù)；Fr為試樣圓環(huán)的法向載荷(N)；Ff為試樣圓環(huán)受到的摩擦力(N)；r為試樣圓環(huán)的半徑(mm)；T為扭轉(zhuǎn)力矩[16]。

在分析摩擦系數(shù)隨時間的變化規(guī)律時，大多呈現(xiàn)出先增加再減小后上升最后達到動態(tài)平衡的趨勢?？梢詫⑦@三個階段區(qū)分為跑合期、上升期及穩(wěn)定期。在摩擦初期，由于初期接觸面積小摩擦系數(shù)較?。浑S著時間的增加，摩擦系數(shù)隨著摩擦副接觸面積的增加而增大；之后磨屑增多充當(dāng)起固體潤滑，使得摩擦系數(shù)隨之減??；增多的磨屑在法向載荷的作用下被壓入表面時摩擦系數(shù)又會增大；當(dāng)磨屑的產(chǎn)生與溢出達到動態(tài)平衡時，摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定[17]。

2.2 磨損率

磨損率可由以下公式計算得出：

(2)

式中：ΔV為磨損體積；A為磨痕截面積(mm2)；L為振幅(mm)；ω為磨損率(mm3/m)；v為往復(fù)速度(mm/s)；t為時間(s)。

馮昌青等[18]發(fā)現(xiàn)在不同溫度情況下，鎂合金的磨損率呈現(xiàn)隨著載荷的增加而升高的趨勢。張秋陽等[19]發(fā)現(xiàn)滑動速度也是影響磨損率的一個重要因素；在載荷相同的條件下，滑動速度越快，其磨損率也將變大。

3 各因素對木工刀具摩擦磨損的影響

在木工刀具切削過程中，主軸轉(zhuǎn)速、切削深度、進給速度、切削溫度等都會影響刀具的磨損狀態(tài)。在加工過程中刀具材料表面會產(chǎn)生一層不同于基體材料的摩擦層，這是由于金屬表面、亞表面在載荷、溫度、環(huán)境因素綜合影響下產(chǎn)生與基體材料性質(zhì)不同的摩擦層。摩擦層成分、結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定程度對木工刀具材料的摩擦行為和磨損機制起著決定性的作用[20]。

3.1 硬度

聶文君等[21]采用Archard方程分析硬度和磨損率之間的關(guān)系，表達式為：

(3)

式中：L為摩擦距離；P為摩擦載荷；H為材料的硬度；K為摩擦系數(shù)。

由公式可知，當(dāng)木工刀具材料硬度增加，磨損率與硬度成反比，那么材料在摩擦磨損過程中磨損率就會下降。

3.2 工件與刀具的相對滑動速度

王浩浩等[22]研究鋼在不同速度下的摩擦磨損行為發(fā)現(xiàn)：磨損率曲線先隨著滑動速度的升高逐漸降低，當(dāng)達到最小值后，隨著速度的升高逐漸變大。

在木工刀具切削過程中，木工刀具的磨損與相對滑動速度并不是線性相關(guān)，在低速切削時，刀具表面很難形成氧化摩擦層，刀具磨損機制為磨粒磨損及黏著磨損。并且相對滑動速度較低，在切削量一定的情況下，每齒切削量相對較高，這更容易加快木工刀具的磨損。高速切削時也會因為氧化摩擦的大大增強從而刀具磨損過快。所以在實際加工中，應(yīng)選擇合適的相對滑動速度，以刀具的氧化摩擦層來承擔(dān)切削，這對降低刀具磨損、提高刀具壽命十分有幫助。

3.3 切削溫度

李斯旭等[23]在研究不同溫度對鋁合金摩擦磨損的影響中發(fā)現(xiàn)：常溫下鋁合金的摩擦系數(shù)較低，隨著溫度升高摩擦系數(shù)呈現(xiàn)在初期迅速上升，略有下降之后再緩慢上升的態(tài)勢。

木工刀具的磨損隨著切削溫度的升高而不斷增大，不僅僅是因為氧化磨損的增強，還伴隨著黏著磨損及化學(xué)磨損。切削溫度的升高，使得木質(zhì)材料的黏性增加，更容易粘黏在切削刃上，并且化學(xué)反應(yīng)隨著溫度的升高而增強，刀具磨損更為加劇。

4 木工刀具材料的有效抗磨方法

木工刀具的磨損是刀具失效的主要原因，對工件的加工質(zhì)量、刀具壽命、切削功率都有著嚴(yán)重影響。因此，降低刀具與加工材料之間的摩擦系數(shù)，提高刀具的耐磨性以提高其壽命，是現(xiàn)在高速切削加工主要研究的重點之一。提高木工刀具耐磨性能的方式可以主要分為三種：①通過淬火、滲氮顆粒增強等技術(shù)對刀具材料進行改性；②在木工刀具表面涂布一層耐磨層，如氮鋁化鈦、氮化碳、金剛石等作為涂層材料；③開發(fā)新型材料，如超細硬質(zhì)合金、陶瓷等新型材料[24-25]。

4.1 木工刀具材料改性增強

激光淬火是研究最早、成熟度最高的一種技術(shù)，主要原理是使用激光掃描材料表面，表面快速升溫從而完成自身淬火。在激光的作用下表層發(fā)生相變，提高了硬度，所以也叫激光相變硬化。這種方式的優(yōu)點在于既能保持刀具材料內(nèi)部的韌性，又可以顯著改善刀具材料表面的耐磨性、耐腐蝕性，從而延長了刀具壽命[26-28]。

另一種常用的方法是表面離子滲氮技術(shù)，其適用范圍廣、處理溫度低、工件變形小，同時滲層組織簡單可控，在處理刀具材料后可以有效提升材料的耐熱性、耐磨性、耐腐蝕性。滲氮技術(shù)的局限性在于木工刀具材料在進行滲氮處理的過程中影響氮化層質(zhì)量和性能的因素很多，其中最主要的是滲氮時間。孫宇峰等[29]研究發(fā)現(xiàn)氮化試件的時間長短直接影響試件氮化層的硬度、滲層深度、疏松度等。滲氮層的有效厚度、硬度、抗氧化性及抗黏結(jié)性都會影響其摩擦磨損機制。刀具材料經(jīng)滲氮處理后由于表層形成了高密度的氮化層從而降低了磨損率，提高了耐磨性從而延長了刀具壽命。

4.2 表面涂層技術(shù)

刀具材料的表面涂層技術(shù)指的是以性能優(yōu)異的硬質(zhì)合金或高速鋼為基體，在其表面激光熔覆、物理沉積等方式涂上一層或者多層涂層，涂層的材料可以是難熔金屬或非金屬化合物，由于涂層材料通常擁有優(yōu)異的耐磨性、耐熱性、耐腐蝕性、化學(xué)穩(wěn)定性且硬度較基體材料更高，這樣可以有效地提高刀具的耐磨性[30]?？梢詫⑼繉臃譃閮深悾河餐繉蛹败浲繉樱挥餐繉拥闹饕饔檬强梢蕴岣叩毒叩挠捕群湍湍バ?；軟涂層的主要作用是降低刀具與工件之間的摩擦系數(shù)從而減少磨損[31-32]。

激光熔覆是利用激光束在木工刀具基體表面將配比好的熔融材料融化并制備成涂層的一種表面涂層技術(shù)，常用的熔融材料可以是合金粉末、陶瓷粉末或稀土材料等。主要優(yōu)點是理論上可以將任何金屬或者金屬陶瓷復(fù)合材料熔覆到合金基體上，所以可以在較為廉價的基材上形成性能優(yōu)異的涂層，有效地改善基材的耐磨性、耐熱性、耐腐蝕性，利用激光熔覆技術(shù)還可以對刀具受損表面進行修復(fù)使其可以循環(huán)使用。激光熔覆技術(shù)缺點在于所得的熔覆涂層表面比較粗糙而且內(nèi)部氣孔較多，同時工藝較為復(fù)雜?，F(xiàn)如今應(yīng)用和發(fā)展的重點是將陶瓷粉末熔覆在刀具基體上，不僅有著金屬材料的強度和韌性，還可以利用陶瓷涂層提高其耐磨性，具有很大的經(jīng)濟開發(fā)價值[33]。

雙陰極等離子體濺射沉積技術(shù)是在低真空條件下氣體輝光放電產(chǎn)生等離子體，在普通的導(dǎo)電材料上沉積一層具有特殊性質(zhì)的合金薄膜層，使低溫等離子體和傳統(tǒng)金屬基體結(jié)合。所制得的涂層表面質(zhì)量較好，致密均勻，硬度高且耐磨性強，很少有氣泡、孔洞等缺陷，且涂層成分和厚度可控。張冬冬等[34]通過在TC4鈦合金表面沉積TiCN涂層研究耐磨性，TC4涂層與基體結(jié)合緊密，在摩擦磨損測試中涂層的磨痕寬度約為基體材料的1/4，沒有出現(xiàn)明顯的犁溝等痕跡，磨損率下降了一個數(shù)量級，充分體現(xiàn)了涂層可以大大提高材料耐磨性。

4.3 木工刀具材料減磨新技術(shù)

木工刀具材料除了運用改性增強以及涂層處理來降低磨損外，還可以通過優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)降低刀具與工件之間的摩擦系數(shù)，或者是開發(fā)新材料達到目的[35]?，F(xiàn)如今表面微織構(gòu)是基于仿生學(xué)和摩擦性提出的一項有效的新型方式。

表面微織構(gòu)技術(shù)是通過微細加工，仿造生物性能在刀具表面形成具有一定數(shù)目、規(guī)格、尺寸且排列規(guī)則的微結(jié)構(gòu)。合適的微織構(gòu)可以有效地改進刀具材料表面的摩擦性能以達到降低摩擦力及磨損的目的。在摩擦磨損行為中，摩擦副之間的微凸起通常最先剝落變成磨屑，沒有及時清理會造成磨料磨損以及犁溝劃痕等加速磨損，而此時微織構(gòu)可以作為一個儲存器，將剝落下來的磨屑臨時收集減少了對基體的二次磨損。李偉光[36]通過在刀具表面加工微織構(gòu)并研究與樺木的摩擦特性，在與不同含水率的樺木進行實驗得出合適的微織構(gòu)可以有效地減小木材與刀具之間的摩擦系數(shù)，降低刀具磨損延長其壽命。由于微織構(gòu)在改善摩擦學(xué)特性方面有著突出的優(yōu)勢，可以被應(yīng)用到軸承、發(fā)動機汽缸、導(dǎo)軌等機械零件上，有著重要的研究價值及廣泛的應(yīng)用前景[37]。

隨著傳統(tǒng)木工刀具材料無法滿足工業(yè)對材料日益嚴(yán)苛的要求，金屬基復(fù)合材料應(yīng)運而生，由于復(fù)合材料的強度和硬度更高，而且具有優(yōu)異的耐熱性、耐腐蝕性、尺寸穩(wěn)定性被越來越多地運用在工業(yè)環(huán)境中[38]。陳輝等[39]制備Mo5Si3-20%Al2O3p復(fù)相陶瓷并觀察其力學(xué)性能、微觀結(jié)構(gòu)及摩擦磨損性能。其組織均勻細小，晶粒尺寸在1～5 um之間，Mo5Si3-20%Al2O3p與單相的Mo5Si3金屬陶瓷相比摩擦系數(shù)和磨損率都減小，而且實驗中摩擦系數(shù)較平穩(wěn)，展現(xiàn)出更好的摩擦學(xué)性能，有著廣泛的應(yīng)用前景。

5 結(jié)束語

在工業(yè)化快速發(fā)展的今天，高速率切削是木質(zhì)材料切削加工重要的發(fā)展方向。在高速的切削中木工刀具會發(fā)生一系列化學(xué)、物理反應(yīng)，木工刀具的磨損是磨料磨損、化學(xué)磨損、腐蝕磨損多種形式綜合導(dǎo)致的，影響了刀具的壽命、加工效率以及加工產(chǎn)品表面質(zhì)量。木工刀具磨損機制的影響因素分為材料本身(硬度、結(jié)構(gòu))以及工作條件(載荷、速度、溫度等)。在實際的工作環(huán)境中需要調(diào)整各個因素之間的聯(lián)系從而達到最優(yōu)工藝參數(shù)以延長刀具壽命，提高加工工件的質(zhì)量。

現(xiàn)如今的有效抗磨技術(shù)可以大致分為三類：①刀具材料改性增強；②表面涂層技術(shù)；③優(yōu)化結(jié)構(gòu)或開發(fā)新材料。這些方法的主旨就是通過降低刀具與材料之間的摩擦力、增強刀具基體硬度，優(yōu)化耐磨性、耐熱性、耐腐蝕性以此來改善刀具-工件系統(tǒng)的摩擦學(xué)行為并延長刀具壽命、提高加工質(zhì)量。

通過摩擦磨損實驗研究木工刀具材料的摩擦系數(shù)，磨損率并以此來推測確定其磨損機制，對生產(chǎn)和科學(xué)研究都具有十分現(xiàn)實的意義。各種減磨新技術(shù)的發(fā)現(xiàn)與應(yīng)用也將推動工業(yè)化的進程。