一种降低钛合金切削加工过程摩擦磨损的方法

技术领域

本发明涉及机械切削加工领域，尤其涉及一种聚丙烯酸纳米凝胶与硬质合金微织构技术协同降低钛合金切削加工过程中摩擦磨损的方法。

背景技术

通过表面技术改进刀具，是延长机械切削加工过程刀具寿命的重要途径。微织构刀具通过光刻加工、电火花加工、激光加工等技术在刀具的前刀面或后刀面上制备出一定形状、尺寸、规则的织构形貌。研究表明，刀具表面微织构的主要作用是储存润滑剂和磨屑，减少刀具/切屑或刀具/工件之间的接触面积，增加附加流体压力，从而减少摩擦磨损，延长刀具寿命，提高金属切削加工表面质量。然而，有些表面微织构不但起不到抗磨效果，甚至还会破坏刀具表面完整性，从而缩短其使用寿命。因此，不同的表面微织构发挥的效应是完全不同的，目前尚没有形成共识。

另一方面，钛合金等一些难加工材料由于具有导热系数小、弹性模量小、化学活性强等特点，在切削过程中会产生大量的切削热，并存在剧烈摩擦、粘着磨损等，因此摩擦系数较大，容易造成刀尖部分严重磨损。将微织构刀具用于切削时，微织构远离主切削刃的边缘会参与到切削的过程中，衍生切屑会从边缘流入微织构，从而切屑的底边会产生额外的切削，即衍生切削。衍生切削会增大刀具/切屑之间的摩擦系数及切屑的变形等，导致切削性能大幅下降。因此，单一使用微织构对于降低摩擦系数，减少刀具磨损的效果是有限的，有必要发展新方法来降低钛合金切削加工过程中摩擦磨损。

业已发现，聚合物纳米颗粒在某些摩擦副界面具有较好减摩润滑效果[Friction,2023,11(4):602–616]，同时生成的润滑膜能够防止切屑划伤摩擦表面，从而改善材料切削性能。然而，尽管已有关于聚合物纳米颗粒如聚丙烯酸纳米凝胶，以及微织构刀具方面的报道，但由于切削摩擦过程是一个复杂系统依赖的综合体系，如何发挥两者的协同效果，降低钛合金切削加工过程中的摩擦系数，以降低刀具磨损，提高钛合金切削加工质量，仍然是亟待研究解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，要解决的技术问题是提供一种降低钛合金切削加工过程摩擦磨损的方法，该方法能够利用聚丙烯酸纳米凝胶与微织构技术协同，显著降低钛合金切削加工过程中的摩擦系数，以降低刀具磨损，提高钛合金切削加工质量。

本发明的技术方案具体按以下步骤进行：

(1)分别取1.8-3.6g丙烯酸、0.02-0.05g N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、0.06-0.12g十二烷基硫酸钠，依次加入含100-240mL去离子水的三口烧瓶中，将0.09-0.18g过硫酸铵溶于5-10mL去离子水中制备成引发剂水溶液置于三口烧瓶上方的滴液漏斗中，随后通入氮气去除溶液中的氧气，以100-300r/min磁力搅拌30-60min后开始升温，待温度为60-70℃时，以10-12滴/min速度滴加引发剂水溶液，保持60-70℃反应4-5h，得聚丙烯酸纳米凝胶。

(2)对硬质合金表面进行微织构加工，微织构为槽孔复合结构，槽孔中心距为0.2-0.5mm，孔孔中心距为0.4-1.0mm，微织构深度为0.03-0.05mm，微槽长为0.16-0.25mm，宽为0.01-0.03mm；微孔的直径为0.16-0.25mm。

(3)切削摩擦参数为：以步骤(2)所制备的微织构硬质合金以及钛合金为摩擦配副，步骤(1)所制备的聚丙烯酸纳米凝胶为润滑剂，摩擦载荷10-20N，摩擦行程5-8mm，摩擦频率3-5Hz，摩擦方向与微织构中微槽长度方向平行。

其中，步骤(1)中所述聚丙烯酸纳米凝胶以质量百分数计，包括1.83-3.66％的聚丙烯酸和96.34-98.17％的去离子水；聚丙烯酸平均粒径为50-100nm。

与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)本发明将刀具微织构技术与聚丙烯酸纳米凝胶作为润滑剂有效结合，可抑制微织构刀具在切削时的衍生切削现象，提升刀具切削性能，与单一技术相比具有协同减摩润滑效果，平均摩擦系数降幅达22％以上。

(2)本发明所制备的聚丙烯酸纳米凝胶能在设计的微织构硬质合金表面形成一层能够持久存在的润滑膜，该润滑膜能够防止切屑划伤刀具表面，显著降低刀具磨损，延长刀具使用寿命，提高钛合金表面加工精度。

(3)本发明制备方法工艺简便，成本低，制备条件温和，易于规模化应用。

附图说明

图1为本发明实施例1制备的聚丙烯酸纳米凝胶的傅里叶红外光谱图(a)与高分辨率透射电镜照片(b)。

图2为本发明的槽孔型复合微织构示意图。

图3为本发明硬质合金表面微织构光学照片：(a)实施例1，(b)实施例2。

图4为本发明实施例1摩擦系数与单一微织构硬质合金刀具或单一聚丙烯酸纳米凝胶摩擦系数对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明进一步阐述，需要指出的是，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

实施例1

(1)分别取1.8g丙烯酸、0.02g N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、0.06g十二烷基硫酸钠，依次加入含120mL去离子水的三口烧瓶中，将0.09g过硫酸铵溶于5mL去离子水中制备成引发剂水溶液置于三口烧瓶上方的滴液漏斗中，随后通入氮气去除溶液中的氧气，以200r/min的速率进行磁力搅拌40min后开始升温，待温度为65℃时，以10滴/min速度缓慢滴加引发剂水溶液，最后在保持65℃反应4.5h，得聚丙烯酸纳米凝胶。

(2)对硬质合金表面进行微织构加工，微织构为槽孔复合结构，槽孔中心距为0.3mm，孔孔中心距为0.6mm，微织构深度为0.03mm，微槽长为0.16mm，宽为0.01mm；微孔的直径为0.16mm。

(3)切削摩擦参数为：以步骤(2)所制备的微织构硬质合金以及钛合金为摩擦配副，步骤(1)所制备的聚丙烯酸纳米凝胶为润滑剂，摩擦载荷10N，摩擦行程5mm，摩擦频率3Hz，摩擦方向与微织构中微槽长度方向平行。

将微织构硬质合金采用纯水润滑、无微织构硬质合金采用聚丙烯酸纳米凝胶润滑作为对照，其他实验参数相同。

实施例2

(1)分别取1.8g丙烯酸、0.02g N,N'-亚甲基双丙烯酰胺、0.06g十二烷基硫酸钠，依次加入含150mL去离子水的三口烧瓶中，将0.09g过硫酸铵溶于5mL去离子水中制备成引发剂水溶液置于三口烧瓶上方的滴液漏斗中，随后通入氮气去除溶液中的氧气，以300r/min的速率进行磁力搅拌40min后开始升温，待温度为65℃时，以12滴/min速度缓慢滴加引发剂水溶液，最后在保持65℃反应5h，得聚丙烯酸纳米凝胶。

(2)对硬质合金表面进行微织构加工，微织构为槽孔复合结构，槽孔中心距为0.4mm，孔孔中心距为0.8mm，微织构深度为0.03mm，微槽长为0.16mm，宽为0.01mm；微孔的直径为0.16mm。

(3)切削摩擦参数为：以步骤(2)所制备的微织构硬质合金以及钛合金为摩擦配副，步骤(1)所制备的聚丙烯酸纳米凝胶为润滑剂，摩擦载荷10N，摩擦行程5mm，摩擦频率5Hz，摩擦方向与微织构中微槽长度方向平行。

从图1可以看出，实施例1所制备的聚丙烯酸纳米凝胶具有羧基和羟基特定化学基团的红外峰位，表明其制备成功；且外形具有规整的球形结构，为其优异的润滑性能提供了保证。

从图2可以看出，表面微织构参数设计等具有无穷多种排列组合，本发明通过优化参数设计得到了优异减摩抗磨效果。

从图3可以看出，实施例1与实施例2所制备的表面微织构排列均匀，制备方法简单易行。

从图4可以看出，实施例1与单一技术相比具有更低的摩擦系数，表明所制备的聚丙烯酸纳米凝胶与微织构硬质合金具有协同减摩润滑效果，因此，本发明能显著降低刀具磨损，改善钛合金切削加工性能。