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表面织构化刀具切削钛合金机理研究

表面织构化刀具切削钛合金机理研究

作者：刘鑫上海工程技术大学

学位级别：硕士

钛合金作为一种重要合金,其用途众多。在军事航空航天零部件、生物医疗、生活用品和电动汽车零部件等相关技术方面都已经有许多的研究和应用。但钛合金的难加工特性是切削领域中一直研究的重要课题之一。根据目前国内现有的表面织构化... 详细信息

钛合金作为一种重要合金,其用途众多。在军事航空航天零部件、生物医疗、生活用品和电动汽车零部件等相关技术方面都已经有许多的研究和应用。但钛合金的难加工特性是切削领域中一直研究的重要课题之一。根据目前国内现有的表面织构化钛合金刀具研究资料和文献可知在切削钛合金刀具表面合理进行制备微织构制作成表面织构化切削刀具可以有效改善表面织构化切削刀具加工中的各种切削特性,比如可以降低表面织构化刀具切削的温度,延长切削钛合金刀具的使用寿命。使用热辅助加工技术进行钛合金加工同样可以提高钛合金的切削性能。近年来,更多的切削钛金刀具研究者在设计和加工新型切削钛合金刀具时辅以先进的热加工技术来使切削刀具更加易于加工和切削钛合金。本文以现有的新型切削钛合金表面织构化切削刀具相关文献研究资料为基础和指导,设计了四种凹槽型表面织构化刀具(减材型),研究凹槽型表面织构化刀具在不同织构参数条件下的切削性能,并设计了凸起驼峰型织构切削刀具(增材型),研究凸起驼峰型表面织构化切削刀具在不同热辅助加工温度和不同切削速度条件下的加工和切削性能。本文将表面织构制备技术应用于切削刀具表面,通过实验和有限元仿真对不同参数的表面织构化刀具在不同切削速度和不同热辅助加工温度等不同条件下的切削性能研究。主要研究内容如下:(1)按照鼹鼠爪形状设计了半椭圆形凹槽微织构刀具,另设计了半圆形凹槽微织构刀具、梯形凹槽微织构刀具和三角形凹槽微织构刀具与半椭圆形微织构刀具进行对比。本文分别对四种表面织构化刀具进行了数学几何建模、受力模型分析和切屑流动分析。对四种不同织构刀具制备了多种不同参数的织构,研究了不同参数的表面织构化刀具在切削钛合金过程中的性能,并针对不同表面织构化刀具选出了合理的织构参数。发现半椭圆形凹槽织构刀具能够适应多种切削条件。(2)在三种不同的常用刀具表面上制备凸起驼峰,通过有限元软件建模仿真分析方法研究了凸起驼峰型织构刀具在切削过程中的各种参数,包括微织构区域在刀具上的切削温度、切削区域的温度、刀具上的应力、切削力和对其他刀具的切削磨损。发现凸起驼峰型织构刀具在减少刀具磨损方面有显著效果。(3)结合热辅助加工技术,并结合实验和有限元仿真软件研究了微织构刀具在不同热辅助加工温度下的切削性能。实验研究了常规WNMG切削刀具在室温条件和三种热辅助加工温度下的切削力和刀具磨损状况。仿真研究了包括WNMG在内的三种常规刀具和在刀具上制备凸起驼峰后在热辅助加工条件下的切削性能对比。发现热辅助加工技术应用后有效地降低刀具切削力,并能弥补凸起驼峰型织构刀具在切削过程中的一些负面影响。(4)针对表面织构化刀具二次切削加工过程中的微切削现象分别进行了有限元建模仿真,分析了二次切削的现象中可能出现的三种二次切削的情况,并用先进的有限元软件建模仿真了二次切削的现象在热辅助加工条件下的二次切削性能。发现二次切削现象在某些切削性能方面和常规切削存在区别。

关键词：表面织构化切削性能钛合金热辅助加工二次切削现象

钛合金表面织构化与构建生物活性涂层的研究进展

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中国表面工程 2019年第1期32卷 1-11页

作者：张颖鑫徐勇曾志翔宁波工程学院材料与化学工程学院宁波315211 中国科学院宁波材料技术与工程研究所宁波315201

医用钛合金作为临时基质的植入材料对周围新组织的生长具有特殊的诱导作用。针对椎弓根螺钉固定系统对钛合金基材表面机械性能和生物活性的共同需求,表面织构与生物活性涂层对钛合金表面的改性展示出独特的优越性。文中详细介绍了钛合... 详细信息

医用钛合金作为临时基质的植入材料对周围新组织的生长具有特殊的诱导作用。针对椎弓根螺钉固定系统对钛合金基材表面机械性能和生物活性的共同需求,表面织构与生物活性涂层对钛合金表面的改性展示出独特的优越性。文中详细介绍了钛合金表面织构化对其摩擦学性能和生物相容性的影响,以及构建生物活性涂层的种类;总结了钛合金表面织构的作用机理,生物活性涂层的改善机制,阐述了表面织构化与构建生物活性涂层各自的局限性,并指出钛合金作为生物医用材料仍需要解决的问题及未来的研究趋势。

关键词：钛合金表面织构化生物活性涂层摩擦学性能生物相容性

表面织构化聚酰亚胺薄膜超声电机摩擦材料性能研究

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应用化工 2017年第9期46卷 1859-1862页

作者：王丰丁庆军赵盖王星南京航空航天大学材料科学与技术学院江苏南京210016

采用原位聚合法制备出厚度约为100μm的聚酰亚胺薄膜,激光熔融法在薄膜表面刻蚀出不同形状的表面织构。研究表面织构对聚酰亚胺薄膜力学性能及摩擦学性能的影响。测试了不同形式的织构对超声电机机械输出性能的影响。结果表明,织构的存... 详细信息

采用原位聚合法制备出厚度约为100μm的聚酰亚胺薄膜,激光熔融法在薄膜表面刻蚀出不同形状的表面织构。研究表面织构对聚酰亚胺薄膜力学性能及摩擦学性能的影响。测试了不同形式的织构对超声电机机械输出性能的影响。结果表明,织构的存在,使得薄膜的拉伸强度有所降低;摩擦系数降低,且摩擦系数更加稳定,磨损率有所降低,使得超声电机机械输出性能更加稳定。

关键词：聚酰亚胺薄膜摩擦磨损表面织构化超声电机

激光表面织构化对材料摩擦学性能影响的研究进展

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材料导报 2017年第17期31卷 68-74页

作者：郑晓辉宋皓张庆叶雄孟令东谭俊装甲兵工程学院装备再制造工程系北京100072

总结了激光表面织构化技术的特点,并介绍了其在摩擦学中应用的现状,分别讨论了激光表面织构的不同几何形状、尺寸和织构密度等因素,以及织构引起的金属材料表面硬度的升高对摩擦学性能的影响,展望了激光表面织构化技术未来的研究和发展... 详细信息

总结了激光表面织构化技术的特点,并介绍了其在摩擦学中应用的现状,分别讨论了激光表面织构的不同几何形状、尺寸和织构密度等因素,以及织构引起的金属材料表面硬度的升高对摩擦学性能的影响,展望了激光表面织构化技术未来的研究和发展方向及应用领域,指出应加强理论模拟和计算研究,以期与实验研究相辅相成;实验研究应注重规律的摸索和总结;机理方面应深入研究织构引起的组织和力学性能变化的规律,及其对材料摩擦学性能、力学性能和化学性能的影响。

关键词：激光表面织构化摩擦学

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活塞环表面织构化镀层的摩擦性能研究

表面技术 2018年第6期47卷 195-201页

作者：万轶李建亮熊党生南京航空航天大学金城学院机电工程系南京211156 南京理工大学材料科学与工程学院南京210094

目的以缸套/活塞环为试验对象,研究激光织构化与固体润滑镀层的协同减摩作用。方法采用脉冲激光在活塞环表面进行微孔化处理,利用电脉冲沉积法在微孔内制备具有不同MoS_2微粒浓度的Ni-MoS_2复合镀层,通过往复式摩擦试验研究织构化表面... 详细信息

目的以缸套/活塞环为试验对象,研究激光织构化与固体润滑镀层的协同减摩作用。方法采用脉冲激光在活塞环表面进行微孔化处理,利用电脉冲沉积法在微孔内制备具有不同MoS_2微粒浓度的Ni-MoS_2复合镀层,通过往复式摩擦试验研究织构化表面沉积固体润滑剂对活塞环-缸套的影响机制。结果镀液中MoS_2微粒浓度对镀层的硬度和摩擦学性能影响较大,相同电流密度下,电镀液中MoS_2微粒的质量浓度为5g/L时的镀层硬度最高,该浓度下Ni-MoS_2复合镀层在干摩擦下具有最佳的摩擦系数和最低的磨损率。织构化复合镀层可以显著改善接触面间的摩擦性能,相比未织构化摩擦配副,摩擦系数降低约0.2,磨损率下降50%。结论干摩擦条件下,表面织构可以有效地储存摩擦副之间的固体润滑剂和磨粒,在接触表面形成连续润滑膜,减少磨粒磨损。

关键词：活塞环表面织构化协同润滑作用摩擦学性能

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织构化表面改性及其在生物材料上的应用

表面技术 2018年第9期47卷 1-11页

作者：秦立果杨浩刘斌张辉冯新安张雅利董光能西安交通大学设计科学与基础部件研究所西安710049 西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室西安710049 西安交通大学机器人与智能系统研究所西安710049 西安交通大学生物医学信息教育部重点实验室西安710049

表面织构化(Surface texturing)改性是指根据材料属性选择合适的加工手段,在相对运动的摩擦副表面引入具备特定形状、尺寸、分布和排列的微观结构阵列,从而实现摩擦副摩擦学性能的调控。随着生物材料的迅速发展,生物界面的摩擦学问题是... 详细信息

表面织构化(Surface texturing)改性是指根据材料属性选择合适的加工手段,在相对运动的摩擦副表面引入具备特定形状、尺寸、分布和排列的微观结构阵列,从而实现摩擦副摩擦学性能的调控。随着生物材料的迅速发展,生物界面的摩擦学问题是制约其服役安全与寿命的关键因素。表面改性(如合理的表面织构化设计)因强大的润滑优化功能,由此受到科研工作者的广泛关注。在生物材料服役寿命需求日益增加的背景下,首先分析和总结了典型生物材料产品——人工关节在人体服役过程中的失效原因,并将其分为了摩擦学和生物学问题,由此提出了通过表面织构化技术改进人工关节材料的耐磨性和增强其生物相容性,最终达到实现长寿命人工关节服役的目的。详细地论述了近年来表面织构在生物材料上的研究进展,分析了表面织构化参数,如形状、尺寸及排布等对摩擦学性能的影响,考察了不同织构对摩擦副在不同运动工况下承载力及耐磨性的影响,阐述了表面织构的减摩耐磨机理。最后讨论了表面织构对细胞接触引导生长的调控,如对细胞的粘附状态、形态、增殖和分化能力的影响,尽管利于细胞生长的尺寸小于润滑优化的尺寸,但通过多层次或复合设计可望实现生物相容性与摩擦学性能改善相兼具的目标。最后在现有人工关节材料表面改性的研究基础上,对延长人工关节服役寿命的研究方向、发展趋势和应用领域进行了展望。

关键词：生物材料表面织构化摩擦磨损接触引导生物相容性

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橡胶减摩抗磨改性研究进展

摩擦学学报（中英文） 2024年第3期44卷 379-395页

作者：汤洁张丽慧周春宇吴杨于波周峰中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室甘肃兰州730000 中国科学院大学北京100049 烟台中科先进材料与绿色化工产业技术研究院山东烟台264006 烟台先进材料与绿色制造山东省实验室山东烟台264006

橡胶因具有优异的理化性质及独特的力学性能而广泛应用于国防、航空航天、医用、交通、建筑及机械电子等领域,起到减震、缓冲和密封等作用.摩擦学性能是橡胶材料的重要指标之一,然而橡胶自身具有较高的摩擦系数,在一些应用领域,如活塞... 详细信息

橡胶因具有优异的理化性质及独特的力学性能而广泛应用于国防、航空航天、医用、交通、建筑及机械电子等领域,起到减震、缓冲和密封等作用.摩擦学性能是橡胶材料的重要指标之一,然而橡胶自身具有较高的摩擦系数,在一些应用领域,如活塞杆、阀轴(杆)密封、轮胎和水润滑轴承等,因黏连、摩擦生热、机械磨损及磨粒磨损等原因导致性能下降甚至失效.本文中首先综述了橡胶摩擦及磨损理论,随后从橡胶基体改性、橡胶表面处理以及表面织构化3个方面介绍了橡胶减摩抗磨改性方法的研究进展,并对其发展前景进行了展望.

关键词：橡胶减摩抗磨表面处理表面织构化

激光处理钛合金表面和三元硬质涂层表面固体润滑涂层的滑动磨损特性（英文）

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Transactions of Nonferrous Metals Society of China 2017年第4期27卷 839-847页

作者： M.PREM ANANTH R.RAMESH Department of Mechanical Engineering Sri Venkateswara College of EngineeringSriperumbudur Chennai-602117 Tamilnadu India

钛合金的耐磨度较差,因其严重的粘着磨损倾向,不适合润滑滑动。通过织构化和表面涂层进行表面修饰,以提高钛合金基体的表面性能。硬质和耐磨涂层如Ti AlN和AlC rN被应用于钛合金表面,以铬作为中间层。为了进一步提高硬质涂层的耐摩擦磨... 详细信息

钛合金的耐磨度较差,因其严重的粘着磨损倾向,不适合润滑滑动。通过织构化和表面涂层进行表面修饰,以提高钛合金基体的表面性能。硬质和耐磨涂层如Ti AlN和AlC rN被应用于钛合金表面,以铬作为中间层。为了进一步提高硬质涂层的耐摩擦磨损性能,使用固体润滑剂二硫化钼沉积在硬质涂层的的微坑。采用销-盘实验对涂覆基材进行单向滑动磨损测试,以评估其摩擦性能。在3个不同的载荷、时间40 min、2 m/s滑移速度下进行测试,分析研究多层涂层的摩擦行为,如涂层结构、摩擦因数和比磨损率。在滑移初期阶段,摩擦因数较低,约为0.1,这降低了材料转移,延长了耐磨寿命。除去部分二硫化钼涂层后,摩擦因数增大到较高值,硬质复合层仍然保护基体以免磨损。

关键词：表面织构化铬层硬质涂层二硫化钼干滑动

割灌机刀片表面超声滚压和涂层复合强化工艺研究

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割灌机刀片表面超声滚压和涂层复合强化工艺研究

作者：孙伟山东大学

学位级别：硕士

割灌机是机械化修剪草坪、灌木和树枝的一种常见的农业机械,割灌机刀片是割灌机主要的工作部件,目前市场上的割灌机刀片大多为经过常规热处理的65 Mn钢,其切割工况较为复杂,在服役时会与草茎、砂石等较硬物体直接接触从而造成较为严重... 详细信息

割灌机是机械化修剪草坪、灌木和树枝的一种常见的农业机械,割灌机刀片是割灌机主要的工作部件,目前市场上的割灌机刀片大多为经过常规热处理的65 Mn钢,其切割工况较为复杂,在服役时会与草茎、砂石等较硬物体直接接触从而造成较为严重的磨损失效,极大影响了割灌机刀片的使用寿命和工作效率,本文提出将涂层沉积技术、超声滚压技术和表面织构技术相结合,对65 Mn割灌机刀片表面进行复合强化处理,以提升割灌机刀片的抗磨损能力和使用寿命。采用超声滚压技术对割灌机刀片材料试样表面进行织构化处理,观察了超声滚压织构化处理前后割灌机刀片材料试样的表面形貌,测量了表面硬度、弹性模量并计算对比其塑性指数,结果表明:在割灌机刀片材料试样表面进行超声滚压处理能够得到织构化表面,并有效提升其表面硬度,而超声滚压工艺参数的不同会对加工出试样的表面形貌和力学性能产生显著影响,分别研究不同超声滚压工艺参数（步距、气压载荷和进给速度）对割灌机刀片材料工件试样表面形貌和硬度的影响,优化得出超声滚压的最佳工艺参数为:步距为120 μm,气压载荷为0.15 MPa,进给速度为1500 mm/min。分别在抛光65 Mn试样表面和超声滚压织构化65 Mn试样表面用多弧离子镀的方法沉积TiN和AlCrN氮化物涂层,制备出四种不同的涂层试样,即:抛光基体表面沉积TiN涂层试样（PSC-1）;抛光基体表面沉积AlCrN涂层试样（PSC-2）;超声滚压织构化基体表面沉积TiN涂层试样（URTC-1）;超声滚压织构化基体表面沉积AlCrN涂层试样（URTC-2）。分别对这四种涂层试样和仅抛光65 Mn试样（PS）进行纳米压痕试验和划痕试验,来对比不同涂层对65 Mn钢基体硬度的影响及超声滚压预处理对涂层力学性能的影响。结果表明:在65 Mn钢基体表面沉积氮化物硬质涂层可以显著提升试样的表面硬度,而超声滚压预处理能够进一步增加TiN和AlCrN涂层的厚度、硬度和膜-基结合力。相比于PSC-1和PSC-2试样,URTC-1和URTC-2试样的硬度分别增加6.36 GPa和7.86 GPa,塑性指数分别增加32.3%和35.9%,涂层与基体结合力分别增加3 N和5 N。分别将不同工艺处理制备出的割灌机刀片材料65 Mn试样进行摩擦磨损试验。结果表明:在割灌机刀片材料65 Mn试样表面进行超声滚压织构化处理能够提升其摩擦磨损性能,而相比于单一的超声滚压试样（URT）和单一涂层沉积试样（PSC）,超声滚压和涂层复合强化试样（URTC）展现出更好的耐磨能力。将表面复合强化工艺应用于三齿割灌机65 Mn 刀片,将制备的复合强化织构化涂层刀片、仅超声滚压织构化刀片和未处理的65 Mn钢刀片在相同条件下进行林间切割试验,结果表明:表面复合强化织构化涂层刀片的耐磨性能相比于未处理刀片和仅超声滚压织构化处理刀片显著提高。

关键词：割灌机刀片超声滚压表面织构化氮化物涂层摩擦磨损