微织构刀具的设计与切削性能试验研究

作     者：陈碧冲 

作者单位：北京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘佳

授予年度：2015年

学科分类：08[工学] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：微织构 数学模型 微磨削 有限元分析 减摩 

摘      要：微细切削技术作为一种低成本快速的机械微小零件加工方式,已被广泛应用在航空、通讯及光学等多个领域。而微细切削刀具作为微细切削加工的重要执行元件,刀具的快速磨损依然是制约刀具寿命和切削高速高效加工的关键问题。近年来,摩擦学和仿生学的相关研究和实践表明,摩擦副表面不是越光滑越耐磨,反之,具有一定非光滑形态的表面往往具有更好的耐磨性能,这给刀-屑接触区摩擦状况带来了新的研究方向。为此,本文针对铝合金切削时的粘结磨损问题,将仿生微织构应用于硬质合金刀具的材料表面,对表面微织构刀具在铝合金切削加工中的应用进行了探索性研究。本文采用微磨削加工技术将微织构应用于硬质合金刀具的表面,通过有限元分析和切削试验来研究微织构对硬质合金刀具的减摩抗粘作用。本文主要研究内容如下:1.分别选取了四种典型的非光滑仿生微织构,即凹坑形、凸包形、沟槽形和棱纹形这四种典型结构,并对它们分别建立了数学模型。针对非光滑仿生微织构形式的不同,对其减摩机理进行了分析。此外,还介绍了本研究采用的微织构数学模型及刀具表面的微织构加工方法,选取合理的加工参数,采用微磨削技术在硬质合金车刀前刀面上制备出不同方向和尺寸的微沟槽,并对其表面形貌进行了测量。2.利用有限元软件Deform对无织构刀具和微织构刀具正交切削铝合金的过程进行了有限元仿真,揭示了无织构刀具和不同类型微织构刀具切削铝合金时微织构的间距、切削速度及切削深度等参数对切削力和切削温度等的影响。3.利用微磨削加工技术制作出了不同类型的微织构刀具,并进行了铝合金的正交切削试验,对无织构刀具与微织构刀具在有/无润滑剂条件下切削力以及刀具的粘结面积进行了对比分析,研究不同类型微织构对刀具切削性能的影响,并与切削仿真过程进行对比,分析表面微织构刀具的减摩抗粘性。4.针对难加工材料超高强度钢,采用不同类型微织构刀具进行切削仿真,分析了切削过程中正压力、摩擦力以及刀具切削温度的分布情况。同时,对无织构钻头和不同类型微织构钻头钻削超高强度钢的过程进行了模拟,分析了切削过程中刀具切削温度的分布情况,结果表明:对比无织构钻头,微织构钻头能明显降低切削温度,横向沟槽钻头的降温效果最好。