《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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微纹理加工可有效降低硬质合金刀具切削过程中的摩擦系数，通过流体动力学模拟确定最佳纹理深度为0.01mm，正交实验建立切削力模型，并利用遗传算法优化得到最佳切削参数组合（v_c=359.8m/min，f=0.327mm/z，a_p=1.17mm），实现切削力降低与加工稳定性提升。
唐志雄|葛正浩|李杰|黄晓斌
陕西科技大学机械与电气工程学院，中国陕西西安710021
摘要
铣削过程中的切削力受到刀具-工件界面摩擦的显著影响，而摩擦对刀具磨损和使用寿命起着重要作用。尽管激光诱导的微纹理技术已被广泛用于降低摩擦，但其在切削力建模和工艺参数优化中的作用尚未得到系统性的研究。
本研究使用纳秒激光在硬质合金铣刀的刀刃面上制造了圆形微纹理，以增强动压润滑效果。首先通过流体动力学模拟研究了微纹理深度对润滑性能的影响，确定了最佳纹理深度为0.01毫米。随后，在相同的切削条件下，使用传统刀具和微纹理刀具进行了铣削实验。基于响应面方法（RSM）建立了切削力模型，将切削力作为切削速度（vc）、进给率（f）和切削深度（ap）的函数。
结果表明，微纹理刀具的切削力变化趋势与传统刀具一致，其中Y方向的分量大于X方向的分量。切削力随切削速度的增加而减小，而进给率和切削深度的增加则会导致切削力增大。值得注意的是，在优化的切削条件下，微纹理刀具的切削力低于传统刀具。此外，采用遗传算法优化了微纹理刀具的切削参数，得到了最佳组合：vc = 359.8 m/min、f = 0.327 mm/z、ap = 1.17 mm，从而保证了较高的切削效率、加工稳定性和刀具寿命。
本研究为微纹理铣刀建立了系统的切削力建模和优化框架，为刀具表面设计和高性能加工提供了理论指导和实际应用建议。
引言
碳化钨（YG8）具有优异的机械性能，因此在制造过程和机械部件的生产中得到广泛应用，包括切削工具、采矿工具和模具[[1], [2], [3]]。然而，由于工作条件恶劣，YG8容易发生严重的表面摩擦和磨损，经常导致机械部件断裂或失效[4,5]。因此，开发有效的表面改性技术并阐明摩擦的基本机制对于优化性能、减少磨损和提高系统效率至关重要。近年来，表面微纹理技术在摩擦学领域越来越受到重视。大量理论模拟和实验研究表明，与光滑表面相比，表面微纹理显著提高了摩擦界面的摩擦学性能[[6], [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14]]。已经设计并制造了多种尺寸和类型的表面微纹理，广泛应用于降低摩擦、减轻磨损、减振和抗粘附等领域[[15], [16], [17]]。同时，也开发了多种表面纹理技术，包括激光表面纹理化[18]、微铣削[19]、热压花[20]、机械纹理化[21]、离子束蚀刻/铣削[22]、光刻[23]和电化学加工[24]。激光表面纹理化因其独特的优势（如高速度、高生产效率、高灵活性、环保性以及能够制造出复杂精密的表面纹理）而受到广泛关注。
许多研究表明，在刀具表面加工微纹理可以显著改善刀具与工件之间的摩擦特性，减少刀具磨损并延长刀具寿命[[26], [27], [28], [29], [30]]。例如，张等人[31]在碳化物刀具的刀刃面上加工了不同直径、深度和面积占用的坑形微纹理，实验验证了微纹理对刀具-切屑界面摩擦学性能的影响。结果表明，当纹理直径为170 μm、深度为7 μm、面积占用率为20%时，摩擦系数最低。此外，有文献[32]研究了带坑形微纹理的硬质合金刀具在SiCp/Al材料上的切削性能，发现切削力和切削长度分别降低了5-13%和9-39%。同时，微纹理刀具的切削稳定性也得到了提高。王等人[33]使用飞秒激光在不锈钢表面加工了不同间距和倾斜角度的沟槽微纹理。摩擦和磨损实验表明，沟槽间距对摩擦学性能有显著影响，垂直于滑动方向的沟槽具有最低的平均摩擦系数和磨损率。王等人[34]在金刚石刀具的刀刃面上加工了直线沟槽阵列、同心圆纹理、环状序列和网状纹理，实验结果表明微纹理金刚石刀具的铣削性能显著提高，同时切削力和摩擦系数也明显降低。
本研究以APMT1135方形肩部铣刀为研究对象，基于动压润滑原理在刀刃面上制造了圆形微纹理。与以往主要关注纹理几何形状的研究不同，本工作重点研究了切削参数对微纹理刀具减摩性能的影响。首先通过流体润滑模拟定量分析了微纹理深度对动压生成的影响。其次，在相同的切削条件下对传统刀具和微纹理刀具进行了正交铣削实验，建立了切削力模型，并揭示了切削力对切削参数的敏感性。最后，采用遗传算法优化了微纹理刀具的切削参数，旨在最小化切削力并提高减摩性能。所提出的方法建立了切削参数、润滑诱导的摩擦减少与切削力响应之间的直接联系，为工业应用中微纹理铣刀的参数选择提供了实用指导。
碳化物刀具及其特性
本研究使用的刀具材料是YG8硬质合金，属于钨钴系列，以其高硬度和优异的耐磨性而闻名。该硬质合金的成分、物理性质和机械性能详见表1 [35]。
硬质合金刀具的微纹理制备
使用纳秒光纤激光标记机（HGTECH-LG20，武汉华工光纤激光标记机）在碳化物刀具表面制造微纹理。
流体模拟结果
图5展示了不同微湍流单元深度的流体模拟结果云图，流体流动方向朝向左侧。(a1)和(a2)分别表示深度为0.000毫米的微结构单元的横截面压力和速度矢量图；(b1)和(b2)分别表示深度为0.005毫米的微结构单元的横截面压力和速度矢量图；(c1)和(c2)
结论
基于微纹理减摩原理，使用纳秒激光标记机在YG8硬质合金方形肩部铣刀刀片（APMT1135）的前面上制造了圆形坑形微纹理。通过流体模拟分析，研究了微纹理深度对流体动压润滑的影响，并优化了微纹理深度参数。对普通刀具和微纹理刀具进行了正交测试
CRediT作者贡献声明
唐志雄：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。葛正浩：资源获取，正式分析。李杰：资金筹集，正式分析。黄晓斌：软件，方法论。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者衷心感谢国家重点研发计划（项目编号2022YFB3205801）、安徽省重大科技项目（项目编号2022e03020002）、陕西省自然科学基础研究计划（项目编号2024JC-YBQN-0455）以及机械制造系统工程国家重点实验室开放研究基金（项目编号2022016）对本研究的财务和技术支持。
