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金属切削表界面摩擦行为研究进展
doi: 10.1088/2631-7990/ac9e27
作者简介:
刘战强，山东大学特聘教授，博士生导师，国家级科技人才、国务院政府特殊津贴专家、宝钢优秀教师、霍英东教育基金会高等院校青年教师基金获得者等。现任山东大学机械工程学院学术委员会主任、高效洁净机械制造教育部重点实验室副主任和山东省高效切削加工示范工程中心主任。
从事制造科学与刀具技术、功能材料与表面结构加工和加工过程监控技术研究，在重要学术刊物发表论文200余篇，连续三年入选“Elsevier中国高被引学者”；授权发明专利60余项，出版学术著作3部；获省科技进步一等奖和国防科技进步二等奖等省部级奖励10余项。科研成果已应用于航空航天、运载、能源等领域并取得显著的经济和社会效益。。
张志辉，香港理工大学工业与系统工程学系教授，超精密加工技术国家重点实验（香港理工大学）主任。张教授是香港工程师学会 (MHKIE) 会员、英国特许工程师(CEng)、美国电气与电子工程学会(MIEEE) 会员、美国精密工程学会会员(MASPE) 会员、国际工程与科技学院会士（AET Fellow）及国际生产工程科学院（CIRP）会员等。
在超精密加工技术和精密测量等精密工程前沿领域的开创性和可持续研究，有助解决国际上对复杂自由曲面光学元件在超精密加工及纳米级表面测量中的关键技术难题。牵头承担香港研究资助局的优配研究金 / 研究用途补助金11项、国家自然科学基金1项、科技部国家重点研发计划1项、香港创新科技署的创新及科技基金10项，已撰写专著与书籍4部；发表SCI期刊论文200余篇；在国际会议上发表论文150余篇; 获授权专利22；获教育部自然科学二等奖、教育部科技进步二等奖及省科技进步二等奖等省部级奖励10余项。
- 刊出日期: 2023-01-30
摘要:
综述 ● 开放获取阅读更多
1. 文章导读
金属切削材料去除过程表界面摩擦处于非恒定状态，属于具有力、热、化学、材料特性等多因素交互作用的多个输入和输出变量的时空变化摩擦系统。切削加工作为应用最广泛的制造工艺技术，至今仍缺乏完整的切削表界面摩擦理论体系和切削过程摩擦行为调控策略，指导研究人员和机械制造工程师设计合理的切削工艺，以减少刀具磨损并提高表面质量，阻碍了切削加工工艺效能的充分发挥。切削表界面动态摩擦行为的研究可为高质高效切削技术开发、制造系统设计及装备研制提供基础理论与技术支撑。
近期，山东大学机械工程学院刘战强教授、王兵教授、梁晓亮博士与香港理工大学超精密加工技术国家重点实验室张志辉教授、王春锦博士在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《金属切削表界面摩擦行为：研究现状评述和展望》的综述，系统介绍了金属切削过程表界面摩擦行为的最新研究进展和展望。图1展示了切削表界面摩擦行为研究的热点问题，包括局部接触极端载荷的摩擦现象、切削表界面摩擦学理论模型以及摩擦磨损仿真技术、影响切削摩擦学行为的关键因素和刀具减摩策略、以及切削表界面摩擦对加工效果的影响等。
亮点：
● 阐述了金属切削局部极端接触条件下的表界面摩擦现象。
● 总结了金属切削表界面摩擦学理论模型及摩擦磨损仿真技术。
● 归纳了影响金属切削表界面摩擦行为的关键因素、刀具减摩策略。
● 展望了改善金属切削表界面摩擦行为的工艺方法、工具和装备。
图1 切削表界面摩擦行为研究热点问题，经许可转载。版权所有（2010，2016,2017,2018, 2019, 2021,2020）Elsevier和（2018,2021）Springer Nature。
2. 研究背景
金属切削工艺在先进制造业领域发挥着核心作用，超过15% 的机械零部件都是通过切削加工完成，尤其是难加工材料的高质高效切削加工与数控机床、航空航天、交通运输、能源等关键领域装备的制造水平直接相关。切削加工时工件材料被刀具去除分离形成切屑和加工表面，刀具-切屑-加工表面接触界面伴随着剪切、挤压、拉伸等变形引起的极端摩擦。金属切削过程中总能量的20%以上用于克服刀具-切屑和刀具-加工表面接触界面的摩擦。因此，切削加工表界面的摩擦行为对切削过程及结果具有重要影响。随着先进制造技术向“高精、高质、高效、智能、复合、绿色”方向的迅速发展，切削摩擦的基础理论和应用技术也日益受到关注。
刀具磨损和表面质量恶化限制了高质高效加工技术的进一步应用。为解决高质高效切削加工技术的瓶颈，相关学者对金属切削加工过程中的摩擦行为进行了大量研究，包括切削摩擦机理、减摩方法和工艺调控、以及切削摩擦对加工效果的影响等。切削摩擦学是一个有着广泛工业背景、重要学术价值和巨大发展潜力的学科，切削过程摩擦的调控有助于开发新的切削加工技术。因此，本文对金属切削过程表界面摩擦行为的研究现状和展望进行了系统综述及归纳总结。
3.最新进展
当前研究集中于切削过程表界面热力载荷和接触边界条件的分析。图2为切削过程摩擦界面处的应变、应变率、温度及接触模式。切削摩擦行为取决于切削过程中的热力载荷和剧烈变形，可视为界面高温、大应变、高应变率、非稳态塑性变形、动态粘滑接触模式以及多样化切削条件的输出响应变量。
图2 局部接触极端载荷下切削摩擦现象。(a)高温，经许可转载,版权所有(2018), Springer Nature，(b) 非稳态塑性变形, 经许可转载,版权所有(2017), Elsevier，(c) 高应变率, 经许可转载,版权所有(2021),Elsevier，(d) 动态粘滑接触模式, 经许可转载,版权所有 (2021),Elsevier，(e) 犁耕，经许可转载,版权所有(2021),Springer Nature。
切削过程表界面摩擦行为是非恒定状态。基于复杂切削界面接触条件及摩擦行为，对比分析了切削摩擦理论模型及仿真技术应用，包括恒定摩擦系数模型、恒定剪切摩擦模型、粘滑摩擦模型、温度相关摩擦模型和切削参数相关经验摩擦模型等。有限元模拟等数值仿真结果的可靠性取决于输入参数的准确性，如图3所示，可嵌入有限元摩擦模型影响切削过程多物理场分布等输出量，摩擦模型的准确度对于获得接近实际切削过程的仿真结果至关重要。
图3 摩擦模型影响切削多物理场分布的有限元仿真结果，(a)应变场，经许可转载,版权所有(2016), Springer Nature，(b) 速度场，经许可转载,版权所有(2021), Elsevier， (c) 温度场，经许可转载,版权所有(2020),Elsevier。 切削表界面摩擦行为研究热点问题，经许可转载。版权所有（2010，2016,2017,2018, 2019, 2021,2020）Elsevier和（2018,2021）Springer Nature。
如图4所示，多种因素通过直接或间接改变界面接触条件影响切削摩擦行为，这些因素包括工件和刀具材料副性能匹配、切削接触区润滑和冷却介质、切削工艺参数、刀具微/纳米织构表面和刀具涂层等。刀具表面的协同减摩策略通过抑制切削摩擦界面材料粘附、增强润滑、降低摩擦系数可使刀具切削性能得到显著改善。
图4 影响切削摩擦的关键因素和减摩策略，(a) 材料副性能匹配，经许可转载,版权所有(2013), Elsevier，(b) 切削工艺参数，经许可转载,版权所有(2022), Taylor & Francis，(c) )润滑冷却方式, 经许可转载,版权所有(2016), Elsevier，(b) 刀具表面梯度涂层，经许可转载,版权所有(2019), Elsevier，(e) 刀具表面微纳织构，经许可转载,版权所有(2009,2011), Elsevier,(f) 刀-屑界面固体润滑，经许可转载,版权所有，CC BY 4.0。
切削摩擦产生局部热力载荷梯度导致表界面材料的热物理性能发生变化。如图5所示，由于物理过程、化学反应和热力现象等因素不可避免地使刀具接触摩擦表面发生磨损，缩短刀具寿命。刀具-切屑界面处摩擦是影响切屑底部纤维化二次变形的主要驱动因素，而刀具-加工表面处的摩擦是影响表面完整性的关键因素，导致加工表面形貌、微观组织和机械性能的梯度变化。
图5 切削摩擦对加工结果的影响，(a) 刀具磨损，经许可转载,版权所有(2013), Elsevier，(b)刀具寿命，经许可转载,版权所有(2017),Elsevier,(c)切屑变形, 经许可转载,版权所有(2016),Elsevier,(d)加工表面变形层，经许可转载,版权所有(2020), Elsevier。
4. 未来展望
（1）科学问题
目前金属切削摩擦模型依赖于恒定摩擦力或平均摩擦系数，改进修正摩擦模型须考虑界面几何特征、材料性能、润滑冷却介质、热力耦合载荷等综合因素，并考虑多因素影响下的切削摩擦行为的演化。
基于难加工材料切削过程摩擦学特性研究，分析热力耦合等多物理场及化学作用影响下的刀具磨损过程，通过提高刀具磨损状态和刀具寿命的可预测性推动高质高效切削技术的发展。
未来对切削摩擦行为的研究将主要转向制造业对工艺和加工表面指标的需求驱动。通过研究切削摩擦对加工表面完整性的影响，避免使用单一表面完整性参数判断刀具寿命，建立基于表面完整性多目标优化的刀具寿命判据。此外，应考虑建立材料加工工艺-表面完整性-使役性能的关系模型。
未来工作应重点研究极端切削摩擦机理，如超高速切削、超精密切削、重载切削、超低温冷却切削及多能场辅助切削等。
（2）工程问题
先进摩擦数据采集系统将传统摩擦参数输入转换为接近实际切削条件下接触速度、载荷条件、润滑状态和刀具材料/涂层等，提出评估不同摩擦条件下的机械、粘附和犁耕摩擦分量的新方法。
通过实验优选减少摩擦的最佳切削工艺参数，建立摩擦行为和切削条件的切削摩擦数据库，开展基于切削摩擦理论的刀具选择和工艺优化。此外，可重点研究新工艺、新方法改善切削接触界面的摩擦条件。
English Abstract
金属切削表界面摩擦行为研究进展
- Publish Date: 2023-01-30
Abstract:
综述 ● 开放获取阅读更多
1. 文章导读
金属切削材料去除过程表界面摩擦处于非恒定状态，属于具有力、热、化学、材料特性等多因素交互作用的多个输入和输出变量的时空变化摩擦系统。切削加工作为应用最广泛的制造工艺技术，至今仍缺乏完整的切削表界面摩擦理论体系和切削过程摩擦行为调控策略，指导研究人员和机械制造工程师设计合理的切削工艺，以减少刀具磨损并提高表面质量，阻碍了切削加工工艺效能的充分发挥。切削表界面动态摩擦行为的研究可为高质高效切削技术开发、制造系统设计及装备研制提供基础理论与技术支撑。
近期，山东大学机械工程学院刘战强教授、王兵教授、梁晓亮博士与香港理工大学超精密加工技术国家重点实验室张志辉教授、王春锦博士在SCI期刊《极端制造》（International Journal of Extreme Manufacturing, IJEM）上共同发表《金属切削表界面摩擦行为：研究现状评述和展望》的综述，系统介绍了金属切削过程表界面摩擦行为的最新研究进展和展望。图1展示了切削表界面摩擦行为研究的热点问题，包括局部接触极端载荷的摩擦现象、切削表界面摩擦学理论模型以及摩擦磨损仿真技术、影响切削摩擦学行为的关键因素和刀具减摩策略、以及切削表界面摩擦对加工效果的影响等。
亮点：
● 阐述了金属切削局部极端接触条件下的表界面摩擦现象。
● 总结了金属切削表界面摩擦学理论模型及摩擦磨损仿真技术。
● 归纳了影响金属切削表界面摩擦行为的关键因素、刀具减摩策略。
● 展望了改善金属切削表界面摩擦行为的工艺方法、工具和装备。
图1 切削表界面摩擦行为研究热点问题，经许可转载。版权所有（2010，2016,2017,2018, 2019, 2021,2020）Elsevier和（2018,2021）Springer Nature。
2. 研究背景
金属切削工艺在先进制造业领域发挥着核心作用，超过15% 的机械零部件都是通过切削加工完成，尤其是难加工材料的高质高效切削加工与数控机床、航空航天、交通运输、能源等关键领域装备的制造水平直接相关。切削加工时工件材料被刀具去除分离形成切屑和加工表面，刀具-切屑-加工表面接触界面伴随着剪切、挤压、拉伸等变形引起的极端摩擦。金属切削过程中总能量的20%以上用于克服刀具-切屑和刀具-加工表面接触界面的摩擦。因此，切削加工表界面的摩擦行为对切削过程及结果具有重要影响。随着先进制造技术向“高精、高质、高效、智能、复合、绿色”方向的迅速发展，切削摩擦的基础理论和应用技术也日益受到关注。
刀具磨损和表面质量恶化限制了高质高效加工技术的进一步应用。为解决高质高效切削加工技术的瓶颈，相关学者对金属切削加工过程中的摩擦行为进行了大量研究，包括切削摩擦机理、减摩方法和工艺调控、以及切削摩擦对加工效果的影响等。切削摩擦学是一个有着广泛工业背景、重要学术价值和巨大发展潜力的学科，切削过程摩擦的调控有助于开发新的切削加工技术。因此，本文对金属切削过程表界面摩擦行为的研究现状和展望进行了系统综述及归纳总结。
3.最新进展
当前研究集中于切削过程表界面热力载荷和接触边界条件的分析。图2为切削过程摩擦界面处的应变、应变率、温度及接触模式。切削摩擦行为取决于切削过程中的热力载荷和剧烈变形，可视为界面高温、大应变、高应变率、非稳态塑性变形、动态粘滑接触模式以及多样化切削条件的输出响应变量。
图2 局部接触极端载荷下切削摩擦现象。(a)高温，经许可转载,版权所有(2018), Springer Nature，(b) 非稳态塑性变形, 经许可转载,版权所有(2017), Elsevier，(c) 高应变率, 经许可转载,版权所有(2021),Elsevier，(d) 动态粘滑接触模式, 经许可转载,版权所有 (2021),Elsevier，(e) 犁耕，经许可转载,版权所有(2021),Springer Nature。
切削过程表界面摩擦行为是非恒定状态。基于复杂切削界面接触条件及摩擦行为，对比分析了切削摩擦理论模型及仿真技术应用，包括恒定摩擦系数模型、恒定剪切摩擦模型、粘滑摩擦模型、温度相关摩擦模型和切削参数相关经验摩擦模型等。有限元模拟等数值仿真结果的可靠性取决于输入参数的准确性，如图3所示，可嵌入有限元摩擦模型影响切削过程多物理场分布等输出量，摩擦模型的准确度对于获得接近实际切削过程的仿真结果至关重要。
图3 摩擦模型影响切削多物理场分布的有限元仿真结果，(a)应变场，经许可转载,版权所有(2016), Springer Nature，(b) 速度场，经许可转载,版权所有(2021), Elsevier， (c) 温度场，经许可转载,版权所有(2020),Elsevier。 切削表界面摩擦行为研究热点问题，经许可转载。版权所有（2010，2016,2017,2018, 2019, 2021,2020）Elsevier和（2018,2021）Springer Nature。
如图4所示，多种因素通过直接或间接改变界面接触条件影响切削摩擦行为，这些因素包括工件和刀具材料副性能匹配、切削接触区润滑和冷却介质、切削工艺参数、刀具微/纳米织构表面和刀具涂层等。刀具表面的协同减摩策略通过抑制切削摩擦界面材料粘附、增强润滑、降低摩擦系数可使刀具切削性能得到显著改善。
图4 影响切削摩擦的关键因素和减摩策略，(a) 材料副性能匹配，经许可转载,版权所有(2013), Elsevier，(b) 切削工艺参数，经许可转载,版权所有(2022), Taylor & Francis，(c) )润滑冷却方式, 经许可转载,版权所有(2016), Elsevier，(b) 刀具表面梯度涂层，经许可转载,版权所有(2019), Elsevier，(e) 刀具表面微纳织构，经许可转载,版权所有(2009,2011), Elsevier,(f) 刀-屑界面固体润滑，经许可转载,版权所有，CC BY 4.0。
切削摩擦产生局部热力载荷梯度导致表界面材料的热物理性能发生变化。如图5所示，由于物理过程、化学反应和热力现象等因素不可避免地使刀具接触摩擦表面发生磨损，缩短刀具寿命。刀具-切屑界面处摩擦是影响切屑底部纤维化二次变形的主要驱动因素，而刀具-加工表面处的摩擦是影响表面完整性的关键因素，导致加工表面形貌、微观组织和机械性能的梯度变化。
图5 切削摩擦对加工结果的影响，(a) 刀具磨损，经许可转载,版权所有(2013), Elsevier，(b)刀具寿命，经许可转载,版权所有(2017),Elsevier,(c)切屑变形, 经许可转载,版权所有(2016),Elsevier,(d)加工表面变形层，经许可转载,版权所有(2020), Elsevier。
4. 未来展望
（1）科学问题
目前金属切削摩擦模型依赖于恒定摩擦力或平均摩擦系数，改进修正摩擦模型须考虑界面几何特征、材料性能、润滑冷却介质、热力耦合载荷等综合因素，并考虑多因素影响下的切削摩擦行为的演化。
基于难加工材料切削过程摩擦学特性研究，分析热力耦合等多物理场及化学作用影响下的刀具磨损过程，通过提高刀具磨损状态和刀具寿命的可预测性推动高质高效切削技术的发展。
未来对切削摩擦行为的研究将主要转向制造业对工艺和加工表面指标的需求驱动。通过研究切削摩擦对加工表面完整性的影响，避免使用单一表面完整性参数判断刀具寿命，建立基于表面完整性多目标优化的刀具寿命判据。此外，应考虑建立材料加工工艺-表面完整性-使役性能的关系模型。
未来工作应重点研究极端切削摩擦机理，如超高速切削、超精密切削、重载切削、超低温冷却切削及多能场辅助切削等。
（2）工程问题
先进摩擦数据采集系统将传统摩擦参数输入转换为接近实际切削条件下接触速度、载荷条件、润滑状态和刀具材料/涂层等，提出评估不同摩擦条件下的机械、粘附和犁耕摩擦分量的新方法。
通过实验优选减少摩擦的最佳切削工艺参数，建立摩擦行为和切削条件的切削摩擦数据库，开展基于切削摩擦理论的刀具选择和工艺优化。此外，可重点研究新工艺、新方法改善切削接触界面的摩擦条件。
| 引用本文: |
Liang X L, Liu C Q, Wang B, Wang C J, Cheung C F. 2023. Friction behaviors in the metal cutting process: state of the art and future perspectives. Int. J. Extrem. Manuf. 5 012002. 
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| Citation: |
Liang X L, Liu C Q, Wang B, Wang C J, Cheung C F. 2023. Friction behaviors in the metal cutting process: state of the art and future perspectives. Int. J. Extrem. Manuf. 5 012002.
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