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织构刀-屑界面滑移区微通道特性数值研究

润滑与密封 2019年第3期44卷 30-36页

作者：逄明华申福猴聂永芳马利杰河南科技学院机电学院河南新乡453003

刀-屑界面滑移区的接触及微通道分布特性直接影响切削液的渗入和刀-屑界面摩擦,对金属切削过程有着重要的影响,针对滑移区接触及微通道分布特性测量难、切削液在刀-屑界面渗入不易量化等问题,建立微织构粗糙刀-屑界面滑移区的接触数值模... 详细信息

刀-屑界面滑移区的接触及微通道分布特性直接影响切削液的渗入和刀-屑界面摩擦,对金属切削过程有着重要的影响,针对滑移区接触及微通道分布特性测量难、切削液在刀-屑界面渗入不易量化等问题,建立微织构粗糙刀-屑界面滑移区的接触数值模型,分析滑移区的接触、微通道分布特性以及微织构作用机制。研究表明:滑移区存在3种不同的宏观接触特性,分别为近黏结特性、微通道特性和近分离特性;在近黏结特性区内,刀-屑界面不存在微通道,微织构主要功能为减少刀-屑界面接触面积;在微通道特性区内,刀-屑界面存在大量微通道,微织构主要功能为连接微通道;在近分离特性区内,刀-屑界面微通道消失,微织构主要功能为存储切削液。刀-屑界面应力分布系数对各特性区长度有影响,应力分布系数减小,近黏结区和微通道区长度增大,而近分离区长度相应减小。

关键词：微织构刀-屑界面滑移区微通道

基于雾化切削液的刀—屑界面持续润滑刀具研究

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基于雾化切削液的刀—屑界面持续润滑刀具研究

作者：张伟青岛科技大学

学位级别：硕士

本文以减少加工过程中切削液用量提升刀具的减磨润滑性能为目标,提出了刀-屑界面持续润滑技术的概念,并且制备了刀-屑界面持续润滑刀具。通过切削实验研究了刀-屑界面持续润滑刀具的切削性能及减磨润滑机理。根据刀-屑界面持续润滑的技... 详细信息

本文以减少加工过程中切削液用量提升刀具的减磨润滑性能为目标,提出了刀-屑界面持续润滑技术的概念,并且制备了刀-屑界面持续润滑刀具。通过切削实验研究了刀-屑界面持续润滑刀具的切削性能及减磨润滑机理。根据刀-屑界面持续润滑的技术要求,设计并搭建了专用切削液雾化系统,并进行了不同切削液浓度、切削液类型及系统压强参数条件下的雾化性能测试。得出结论:水基切削液浓度越低,且雾化系统压强越高,雾化系统的雾化性能越好。此雾化系统对油基切削液的雾化性能较差。通过Abaqus有限元软件进行了切削速度与背吃刀量的两因素三水平的正交仿真实验。得出结论:切削温度随切削速度与背吃刀量参数的增大而升高,不同切削参数下的刀具前刀面相对高温区域与主切削刃的平均距离为0.5mm,高温区域的范围平均约0.3mm。采用Workbench有限元软件对刀具进行了热结构间接耦合仿真,并通过多目标遗传算法对微细通道的相关参数进行了优化计算。得出结论:微细通道中心位置与主切削刃距离为0.4mm,与副切削刃距离为0.9mm及自身孔径为0.26mm的加工参数。对比研究了干切削(T-D)、浇注式切削(T-W)、MQL切削(T-Q)以及刀-屑界面持续润滑切削(GT-Q)等四种切削方式下,刀具的切削性能及减磨润滑机理。实验证明:在切削45#钢与灰铸铁时,刀具GT-Q的切削性能最优,相较于其他切削方式,刀具GT-Q的切削三向力、刀-屑接触长度、前刀面平均摩擦系数及工件表面粗糙度明显降低,切削液冷却效率明显提升,但切削液用量仅为刀具T-Q的3/25。通过SEM刀具表面形貌及EDS元素分析可知:切削45#钢与切削灰铸铁的GT-Q刀具主切削刃上的积屑瘤体积都明显减小,前刀面的粘结材料、微孔及犁沟明显减少,氧元素与铁元素仅存在于主切削刃上且分布较为稀疏,同时前刀面的磷元素分布相较于刀具T-Q较为稠密且均匀,证明了切削塑性及脆性材料时,切削液在刀具GT-Q前刀面皆具有良好的扩散及成膜性能。但相较于切削45#钢的刀具,切削灰铸铁时刀具前刀面的粘结与氧化磨损较为严重,并且切削灰铸铁时刀具GT-Q的微细通道出口发生了严重阻塞。改变切削液浓度、雾化系统压强、切削速度及背吃刀量等切削参数,进一步研究了刀具GT-Q的切削加工性能。切削45#钢时:在切削液浓度为10%条件下,刀具的切削加工性能最优,同时刀具前刀面的表面形貌明显改善。随着雾化系统压强的升高,刀具的切削加工性能也随之提升。随着切削速度的增加,刀具的切削加工性能下降,磨损加剧。当背吃刀量为0.3mm时,刀具的切削加工性能最优,表面形貌有所改善。切削灰铸铁时:与切削45#钢不同,随着切削液浓度的提升,刀具的切削加工性能逐渐降低,磨损加剧。刀具的切削加工及润滑性能会随着雾化系统压强的增大而提升。不同于45#钢的切削,刀具随着切削速度的增加,切削性能有所提升,但磨损加剧。随着背吃刀量的增加,刀具的切削加工性能下降,磨损也随之加剧。

关键词：刀-屑界面切削液雾化持续润滑切削性能

Fe3O4纳米流体润滑下电磁场调控微织构刀具刀-屑界面摩擦性能研究

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Fe3O4纳米流体润滑下电磁场调控微织构刀具刀-屑界面摩擦性能研究

作者：李志浩苏州大学

学位级别：硕士

以316不锈钢为代表的难加工材料是能源医疗等领域的关键材料,然而其切削过程中切削液在刀-屑界面间的润滑和渗透性能不足是制约其实现精密切削的关键问题。在刀具前刀面利用激光制备微织构和应用新型纳米流体是增强切削液渗透性和提升... 详细信息

以316不锈钢为代表的难加工材料是能源医疗等领域的关键材料,然而其切削过程中切削液在刀-屑界面间的润滑和渗透性能不足是制约其实现精密切削的关键问题。在刀具前刀面利用激光制备微织构和应用新型纳米流体是增强切削液渗透性和提升刀具切削性能的既定方法。然而,仅靠刀-屑界面产生的自激电场驱动切削液在微织构中进行流动具有一定的局限性,微织构对纳米流体的输送效果不显著,难以有效调控刀-屑界面间的润滑和摩擦情况,且该能量场在研究中往往被忽视。因此,本文在考虑自激电场的条件下,引入外部磁场,将电磁场、微织构及纳米流体共同应用于切削领域,探究Fe304纳米流体润滑下电磁场对微织构刀具刀-屑界面的减摩机理。主要研究内容如下:首先,针对电磁场作用下Fe3O4纳米流体在微织构界面的定向输运机理进行分析,根据电磁流体力学理论(EMHD),建立微织构中电磁场调控纳米流体定向输运的理论模型。将线圈作为磁场发生装置,并对其产生的磁场强度进行测量和仿真;利用非接触式测量方法对摩擦电势进行测量,结果表明,摩擦电势的数值随着载荷和转速的增大而增加。将电场和磁场的参数引入有限元仿真,研究微观层面下电磁场强度对纳米流体流动特性的影响,明确电磁场对纳米流体流动特性的关联机制。结果表明,随着电磁场强度的增大,纳米流体的流速及所受洛伦兹力均有所提升。当电势值为0.4 V、磁场强度为200 kA/m时,作用于纳米流体上的洛伦兹力为17.24×103N/m3,纳米流体流速为1.762 mm/s。随后,利用“两步法”制备出不同类型和体积分数的Fe3O4纳米流体,发现添加月桂亚氨基二丙酸钠表面活性剂的纳米流体稳定性最好,且纳米颗粒与表面活性剂的最佳质量配比为1:1;利用激光加工技术在Si3N4陶瓷试样表面制备出长度为2 mm、间距为200 μm、深度为20 μm的锥形沟槽微织构。通过摩擦磨损试验对Fe3O4纳米流体的摩擦学性能进行探究,分析不同类型纳米流体和不同预处理的Si3N4陶瓷试样在不同工况下的摩擦系数与磨损形貌。结果表明,TSN+SLI-0.5表现出最低的平均摩擦系数和磨球的磨损,相较于SN+CTAB-0.5,分别降低了 52.95%和61.66%。结合试验结果,明确纳米流体在自激电场作用下对微织构摩擦界面减摩和润滑机理。最后,通过对316不锈钢进行车削试验,研究电磁场辅助Fe3O4纳米流体润滑下微织构刀具的切削性能。结果表明,刀具的切削性能随电磁场强度的增加而显著提升。特别是当磁场强度为1200Gs时,与常规切削液相比,微织构刀具在纳米流体润滑下的切削力、切削温度及已加工表面粗糙度分别降低34.90%、24.98%和31.19%。同时,微织构与纳米流体结合后能够有效缓解刀具的磨损,且随着电磁场的引入,微织构刀具的表面质量明显提升。刀具前刀面和后刀面的磨损情况极大缓解,工件样品的加工影响区域最小。结合电磁场调控纳米流体在微织构中定向输运的有限元仿真,揭示Fe3O4纳米流体润滑下电磁场对微织构刀具刀-屑界面的减摩机理。

关键词：电磁场 Fe3O4纳米流体微织构刀具减摩机理刀-屑界面

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变曲率构形前刀面刀具对刀—屑界面摩擦性能影响研究

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变曲率构形前刀面刀具对刀—屑界面摩擦性能影响研究

作者：胡鹏安徽大学

学位级别：硕士

切削作为最常用的加工方式,其产生的碳排放量一直居高不下,为响应二十大“碳达峰碳中和”的战略部署,降低切削过程中的能耗意义非凡。金属切削层的塑性变形和刀-屑之间的剧烈摩擦是切削热产生的主要来源,而金属变形消耗的能量只占一小部... 详细信息

切削作为最常用的加工方式,其产生的碳排放量一直居高不下,为响应二十大“碳达峰碳中和”的战略部署,降低切削过程中的能耗意义非凡。金属切削层的塑性变形和刀-屑之间的剧烈摩擦是切削热产生的主要来源,而金属变形消耗的能量只占一小部分,其他大部分能量最终都变成热能消散了。因此,提高切削刀具的减摩性能对降低切削能耗起到关键作用。相关研究表明,某些生物的特殊非光滑表面相比于光滑表面具有更低的摩擦阻力,这为提高切削刀具节能性能的研究开辟了新的思路。本文基于河狸牙齿优异的啃咬木材的性能,提取河狸上门牙的变曲率的纵向轮廓特征,设计出一种前刀面准线为仿生变曲率曲线的仿生刀具(以下简称为变曲率前刀面刀具)。并且通过仿真分析和实验研究其对切削力、前刀面应力分布和积屑瘤的影响规律,主要研究内容如下:(1)变曲率前刀面刀具的设计和制备。通过拟合河狸上门牙内轮廓曲线,得到一种变曲率构形准线并且将其应用于车刀前刀面,进行了变曲率前刀面刀具的设计并且推导了其工作前角及剪切角的表达式。最后使用线切割机床制备出变曲率前刀面刀具。(2)变曲率前刀面刀具切削性能仿真分析。基于ABAQUS仿真软件建立高速钢刀具切削45号钢的二维切削有限元模型,通过仿真对比分析变曲率前刀面刀具的切削性能。最终基于仿真分析,通过直角切削实验的方法,验证仿真结果。(3)变曲率前刀面刀具刀-屑界面摩擦性能分析。通过仿真研究变曲率前刀面刀具对刀-屑摩擦系数、前刀面应力分布和前刀面温度分布的影响规律,结果表明:变曲率前刀面刀具能够降低刀-屑摩擦系数和切削温度,改变了前刀面应力的分布。最终通过变曲率前刀面刀具摩擦性能试验对仿真结果的合理性进行验证。(4)变曲率前刀面刀具对积屑瘤影响分析。基于Advant Edge构建了产生积屑瘤现象的二维切削仿真模型,通过仿真实验分析了不同切削速度下变曲率前刀面刀具对积屑瘤的影响规律,并进一步分析变曲率前刀面刀具准线构形参数对积屑瘤的影响,最终通过两种车刀车削工件的加工表面质量比较实验对仿真分析进行验证。综上所述,本文通过仿真与实验相结合的方法分析了变曲率前刀面刀具对刀-屑界面摩擦性能影响规律,为相关金属切削刀具前刀面节能减阻设计提供借鉴作用。

关键词：金属切削理论前刀面构形切削力刀-屑界面积屑瘤

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表面织构对刀具主剪切区特性的影响研究

工具技术 2021年第7期55卷 88-92页

作者：刘会明李坤逄明华漯河职业技术学院机械工程系河南省漯河市462000 河南科技学院机电学院河南省新乡市453003

表面织构能明显改善刀具的切削性能,进一步清晰织构刀具的切削机理。将数值仿真及理论解析相结合,研究表面织构对刀具主剪切区特性的影响,分析主剪切区剪切角、温度及切屑形变量参数的变化。结果表明:刀具表面织构影响了刀-屑界面的接... 详细信息

表面织构能明显改善刀具的切削性能,进一步清晰织构刀具的切削机理。将数值仿真及理论解析相结合,研究表面织构对刀具主剪切区特性的影响,分析主剪切区剪切角、温度及切屑形变量参数的变化。结果表明:刀具表面织构影响了刀-屑界面的接触及摩擦特性,增大了刀具主剪切区的剪切角,进而减小了刀具的切削力、刀-屑界面温度及切屑剪切形变量;主剪切区的温度却因单位时间内被切材料的剪切滑移率增大而小幅增加。本研究为清晰织构刀具的切削机理奠定了理论及技术基础。

关键词：表面织构主剪切区刀-屑界面切削力切削温度

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铝合金材料切削用织构刀具性能研究

现代制造工程 2022年第6期 85-89页

作者：周慧琳于汇泳赵向阳河南工学院材料科学与工程学院新乡453000 河南工学院车辆与交通工程学院新乡453000

对铝合金材料切削用织构刀具的性能进行了综合对比研究。分析了在切削液条件下微/纳织构刀具的切削效果,并以此为基础对织构刀具干切削铝合金材料时的织构尺度范围进行了重新界定。实验结果表明,切削液条件下刀具表面的微/纳织构均能够... 详细信息

对铝合金材料切削用织构刀具的性能进行了综合对比研究。分析了在切削液条件下微/纳织构刀具的切削效果,并以此为基础对织构刀具干切削铝合金材料时的织构尺度范围进行了重新界定。实验结果表明,切削液条件下刀具表面的微/纳织构均能够改善刀具的切削效果,使刀具的切削力下降,且纳米织构效果好于微米织构;干切削铝合金材料时,刀具表面织构的尺度可扩展至微米级,但当织构宽度超过30μm后,刀具表面织构的效果变差。上述实验结果出现的原因为润滑条件下微米织构不宜存储切削液,而干切削时切屑材料又易于嵌入,恶化了刀具表面的材料黏附现象。

关键词：铝合金材料织构刀具刀-屑界面黏附织构尺度

微织构刀具切削中磁场辅助Fe3O4@CNTs纳米流体冷却润滑机理研究

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微织构刀具切削中磁场辅助Fe3O4@CNTs纳米流体冷却润滑机理研究

作者：张昱平苏州大学

学位级别：硕士

钛合金等难加工材料是航空航天领域的关键工程材料,而在其切削加工中刀-屑接触区冷却润滑成为制约其高效、精密切削的关键问题。在刀具前刀面加工微织构是提高刀具耐磨性,降低切削温度的重要手段。然而对于加工低导热系数以及高化学活... 详细信息

钛合金等难加工材料是航空航天领域的关键工程材料,而在其切削加工中刀-屑接触区冷却润滑成为制约其高效、精密切削的关键问题。在刀具前刀面加工微织构是提高刀具耐磨性,降低切削温度的重要手段。然而对于加工低导热系数以及高化学活性的钛合金而言,仅利用微织构刀具很难有效降低刀-屑接触区域的温度。因此,本文提出将微织构刀具与高导热性能的纳米流体相结合,利用“共同沉淀法”制备了 Fe304改性碳纳米管(Fe3O4@CNTs)纳米颗粒。探究了磁场作用下,Fe3O4@CNTs纳米流体对微织构刀具在切削钛合金过程中的冷却和润滑机理,主要研究内容如下:首先,利用“共同沉淀法”制备了 Fe3O4@CNTs复合型纳米颗粒并且筛选出与纳米颗粒最佳质量配比的表面活性剂。TEM图像显示Fe3O4纳米颗粒均匀地附着在碳纳米管表面,相比于纯碳纳米管和纯Fe3O4呈现出较好的分散性。XRD图谱表明Fe3O4@CNTs同时具备碳纳米管和Fe3O4的特征峰,且在2θ=26.3°处的特征峰强度明显低于纯碳纳米管,恰好证明了 Fe3O4被引入到碳纳米管表面。XPS图谱表明Fe3O4@CNTs中含有C、O和Fe三种元素,同时证明了负载在碳纳米管上的粒子为Fe3O4。VSM图谱表明Fe3O4@CNTs的磁滞回线呈S型,磁饱和强度为30.52 emu/g,剩磁和矫顽力都为0,具有超顺磁性。当Fe3O4@CNTs纳米颗粒与表面活性剂CTAB的质量比为5:1时,稳定性最好。与Fe3O4纳米流体相比,Fe3O4@CNTs纳米流体的热导率和粘度均得到一定程度的改善,在提高润滑剂的摩擦学性能方面具有一定的潜力。其次,利用激光在TiC基金属陶瓷刀具表面加工了沟槽型微织构,并制备了不同体积分数的Fe3O4@CNTs和纯Fe3O4纳米流体作为润滑液进行接触角测试和摩擦磨损试验。结果表明,体积分数为0.5%的Fe3O4@CNTs纳米流体与织构化刀具之间测量出最小的接触角为39.1°,表现出最佳的表面润湿性能。在5N载荷下,TFC-0.5样品的COF和Ti6Al4V磨损率分别比WCF降低了43.9%和59.1%。在磨损表面的SEM和XPS表征中,纳米流体与织构样品的黏附和氧化程度较常规样品有所降低。其中,0.5%体积分数的Fe3O4@CNTs纳米流体在织构基底表面表现出最佳的耐磨性。Fe3O4@CNTs纳米流体在织构表面具有较好的润湿性和导热性,可促进摩擦接触界面处形成润滑膜,增加热传播长度,有效降低COF,提高耐磨性。最后,通过对Ti6Al4V合金的切削加工试验,研究了在Fe3O4@CNTs纳米流体的润滑条件下,不同磁场强度对于织构化TiC基金属陶瓷刀具切削性能的影响。结果表明,刀具的切削性能随着磁场强度的提高而提升。特别地,当磁场强度为1200GS时,TTC+FC-0.5加工条件下的切削力、表面粗糙度和切削温度最低。同时,Fe3O4@CNTs纳米流体相比于Fe3O4能够更有效的降低刀具的粘着磨损,降低切削区域的温度,减少工件材料的氧化现象。并且随着微织构和磁场的引入,表面质量得到显著提升。与TC+F-0.5相比,TTC+FC-0.5加工条件下的刀具后刀面几乎没有崩刃和粘着磨损现象,切屑背面较为光滑,几乎没有磨屑和其他杂质的附着,切屑正面的层状结构也更加致密和规整。此外,还揭示了磁场下Fe3O4@CNTs纳米流体对微织构刀具的冷却润滑机理。

关键词： Fe3O4@CNTs纳米流体织构化刀具切削性能刀-屑界面磁场