《Materials Chemistry and Physics》：Comparative Cutting-Force Modeling and Optimization of Conventional and Micro-Textured Milling Tools Using Response Surface Methodology
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微紋理加工可有效降低硬質合金刀具切削過程中的摩擦系數，通過流體動力學模擬確定最佳紋理深度為0.01mm，正交實驗建立切削力模型，并利用遺傳算法優化得到最佳切削參數組合（v_c=359.8m/min，f=0.327mm/z，a_p=1.17mm），實現切削力降低與加工穩定性提升。
唐志雄|葛正浩|李杰|黃曉斌
陜西科技大學機械與電氣工程學院，中國陜西西安710021
摘要
銑削過程中的切削力受到刀具-工件界面摩擦的顯著影響，而摩擦對刀具磨損和使用壽命起著重要作用。盡管激光誘導的微紋理技術已被廣泛用于降低摩擦，但其在切削力建模和工藝參數優化中的作用尚未得到系統性的研究。
本研究使用納秒激光在硬質合金銑刀的刀刃面上制造了圓形微紋理，以增強動壓潤滑效果。首先通過流體動力學模擬研究了微紋理深度對潤滑性能的影響，確定了最佳紋理深度為0.01毫米。隨后，在相同的切削條件下，使用傳統刀具和微紋理刀具進行了銑削實驗。基于響應面方法（RSM）建立了切削力模型，將切削力作為切削速度（vc）、進給率（f）和切削深度（ap）的函數。
結果表明，微紋理刀具的切削力變化趨勢與傳統刀具一致，其中Y方向的分量大于X方向的分量。切削力隨切削速度的增加而減小，而進給率和切削深度的增加則會導致切削力增大。值得注意的是，在優化的切削條件下，微紋理刀具的切削力低于傳統刀具。此外，采用遺傳算法優化了微紋理刀具的切削參數，得到了最佳組合：vc = 359.8 m/min、f = 0.327 mm/z、ap = 1.17 mm，從而保證了較高的切削效率、加工穩定性和刀具壽命。
本研究為微紋理銑刀建立了系統的切削力建模和優化框架，為刀具表面設計和高性能加工提供了理論指導和實際應用建議。
引言
碳化鎢（YG8）具有優異的機械性能，因此在制造過程和機械部件的生產中得到廣泛應用，包括切削工具、采礦工具和模具[[1], [2], [3]]。然而，由于工作條件惡劣，YG8容易發生嚴重的表面摩擦和磨損，經常導致機械部件斷裂或失效[4,5]。因此，開發有效的表面改性技術并闡明摩擦的基本機制對于優化性能、減少磨損和提高系統效率至關重要。近年來，表面微紋理技術在摩擦學領域越來越受到重視。大量理論模擬和實驗研究表明，與光滑表面相比，表面微紋理顯著提高了摩擦界面的摩擦學性能[[6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14]]。已經設計并制造了多種尺寸和類型的表面微紋理，廣泛應用于降低摩擦、減輕磨損、減振和抗粘附等領域[[15], [16], [17]]。同時，也開發了多種表面紋理技術，包括激光表面紋理化[18]、微銑削[19]、熱壓花[20]、機械紋理化[21]、離子束蝕刻/銑削[22]、光刻[23]和電化學加工[24]。激光表面紋理化因其獨特的優勢（如高速度、高生產效率、高靈活性、環保性以及能夠制造出復雜精密的表面紋理）而受到廣泛關注。
許多研究表明，在刀具表面加工微紋理可以顯著改善刀具與工件之間的摩擦特性，減少刀具磨損并延長刀具壽命[[26], [27], [28], [29], [30]]。例如，張等人[31]在碳化物刀具的刀刃面上加工了不同直徑、深度和面積占用的坑形微紋理，實驗驗證了微紋理對刀具-切屑界面摩擦學性能的影響。結果表明，當紋理直徑為170 μm、深度為7 μm、面積占用率為20%時，摩擦系數最低。此外，有文獻[32]研究了帶坑形微紋理的硬質合金刀具在SiCp/Al材料上的切削性能，發現切削力和切削長度分別降低了5-13%和9-39%。同時，微紋理刀具的切削穩定性也得到了提高。王等人[33]使用飛秒激光在不銹鋼表面加工了不同間距和傾斜角度的溝槽微紋理。摩擦和磨損實驗表明，溝槽間距對摩擦學性能有顯著影響，垂直于滑動方向的溝槽具有最低的平均摩擦系數和磨損率。王等人[34]在金剛石刀具的刀刃面上加工了直線溝槽陣列、同心圓紋理、環狀序列和網狀紋理，實驗結果表明微紋理金剛石刀具的銑削性能顯著提高，同時切削力和摩擦系數也明顯降低。
本研究以APMT1135方形肩部銑刀為研究對象，基于動壓潤滑原理在刀刃面上制造了圓形微紋理。與以往主要關注紋理幾何形狀的研究不同，本工作重點研究了切削參數對微紋理刀具減摩性能的影響。首先通過流體潤滑模擬定量分析了微紋理深度對動壓生成的影響。其次，在相同的切削條件下對傳統刀具和微紋理刀具進行了正交銑削實驗，建立了切削力模型，并揭示了切削力對切削參數的敏感性。最后，采用遺傳算法優化了微紋理刀具的切削參數，旨在最小化切削力并提高減摩性能。所提出的方法建立了切削參數、潤滑誘導的摩擦減少與切削力響應之間的直接聯系，為工業應用中微紋理銑刀的參數選擇提供了實用指導。
碳化物刀具及其特性
本研究使用的刀具材料是YG8硬質合金，屬于鎢鈷系列，以其高硬度和優異的耐磨性而聞名。該硬質合金的成分、物理性質和機械性能詳見表1 [35]。
硬質合金刀具的微紋理制備
使用納秒光纖激光標記機（HGTECH-LG20，武漢華工光纖激光標記機）在碳化物刀具表面制造微紋理。
流體模擬結果
圖5展示了不同微湍流單元深度的流體模擬結果云圖，流體流動方向朝向左側。(a1)和(a2)分別表示深度為0.000毫米的微結構單元的橫截面壓力和速度矢量圖；(b1)和(b2)分別表示深度為0.005毫米的微結構單元的橫截面壓力和速度矢量圖；(c1)和(c2)
結論
基于微紋理減摩原理，使用納秒激光標記機在YG8硬質合金方形肩部銑刀刀片（APMT1135）的前面上制造了圓形坑形微紋理。通過流體模擬分析，研究了微紋理深度對流體動壓潤滑的影響，并優化了微紋理深度參數。對普通刀具和微紋理刀具進行了正交測試
CRediT作者貢獻聲明
唐志雄：撰寫 – 審稿與編輯，撰寫 – 原稿。葛正浩：資源獲取，正式分析。李杰：資金籌集，正式分析。黃曉斌：軟件，方法論。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的財務利益或個人關系可能影響本文所述的工作。
致謝
作者衷心感謝國家重點研發計劃（項目編號2022YFB3205801）、安徽省重大科技項目（項目編號2022e03020002）、陜西省自然科學基礎研究計劃（項目編號2024JC-YBQN-0455）以及機械制造系統工程國家重點實驗室開放研究基金（項目編號2022016）對本研究的財務和技術支持。
