陶瓷刀具表面微织构对刀具切削性能的影响研究

摘要

摩擦学研究表明表面微织构可以有效地提高接触表面承载力，改善接触表面摩擦学特性。将该技术应用到陶瓷刀具中，能够有效解决高速切削淬火钢等难加工材料时刀具的磨损问题。因此，本文针对不同形状和截面尺寸的表面微织构陶瓷刀具进行有限元分析和切削实验，研究陶瓷刀具表面微织构对刀具切削性能的影响，主要工作内容如下:
　　(1)运用脉冲光纤激光器在Al2O3-TiC陶瓷刀具前刀面加工不同形状和截面尺寸的表面微织构，并使用激光共聚焦显微镜进行表面微织构形貌观察，分析表面微织构形貌和结构尺寸的优良，保证表面微织构结构尺寸在设计和实验过程中的一致性。
　　(2)运用ABAQUS有限元软件进行表面微织构陶瓷刀具切削45＃淬火钢的正交切削过程仿真，表面微织构包括不同深度、宽度和间距的横向表面微织构，主要针对切削过程中的切削力、切削温度和切削应力的大小和分布进行分析。结果表明:微沟槽的深度、宽度和间距不同，陶瓷刀具的切削力、切削温度和切削应力的大小和分布均不同;微沟槽宽度为25μm时刀屑之间不存在“二次切削”，随着宽度的增大，“二次切削”现象越明显;随着深度、宽度和间距的增大，切削力和切削温度逐渐增大，切削应力越集中，当深度小于20μm，宽度小于35μm，间距小于75μm时，陶瓷刀具的总体切削性能得到改善，刀具强度较高。
　　(3)运用压电式测力仪和红外测温法检测陶瓷刀具切削过程中的切削力和切削温度，采用单因素实验研究方法分析不同形状和不同截面尺寸的表面微织构陶瓷刀具的切削性能，并分析前刀面的平均摩擦系数的变化，实验结果表明:随着微沟槽深度、宽度和间距的增大，切削力、切削温度和平均摩擦系数整体呈现增大趋势，在深度为10μm，宽度为25μm，间距为50μm时，横向表面微织构陶瓷刀具的总体切削性能较好，切削力减小了26％，切削温度降低了16％，平均摩擦系数减小了16％。
　　(4)通过高速干切削实验，对比不同形状和不同截面尺寸的表面微织构陶瓷刀具前、后刀面的磨损形貌和磨损量，并研究对应的切屑锯齿化程度，分析不同表面微织构对陶瓷刀具切削性能的影响，实验结果表明:表面微织构的形状和截面尺寸对陶瓷刀具的磨损性能和切屑的锯齿化程度有影响，横向表面微织构陶瓷刀具的磨损量较小，随着深度、宽度和间距的增大，前、后刀面的磨损量增大，切屑锯齿化程度增大，深度为10μm、宽度为25μm、间距为50μm时，陶瓷刀具的总体磨损量较小。
　　(5)通过SEM和EDX对陶瓷刀具前、后刀面的磨损形貌和切屑形貌进行分析，结合陶瓷材料本身特点，分析不同表面微织构对陶瓷刀具切削性能的影响。结果表明:合理的横向表面微织构能够起到减摩降温效果，减少接触表面的粘结现象，改善了陶瓷刀具前刀面的粘结磨损，减少了刀屑和刀工接触面的硬质颗粒，进而减小了刀具的磨粒磨损，陶瓷刀具的总体切削性能得到改善。

目录

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和意义

1．2 表面微织构的研究现状及应用

1．2．1 表面微织构的研究现状

1．2．2 表面微织构在刀具中的应用

1．3 有限元法在研究金属切削过程中的应用

1．4 课题来源及主要研究内容

1．4．1 课题来源

1．4．2 主要研究内容

1．5 本章小结

第二章 表面微织构陶瓷刀具的制备、切削实验设计和仿真介绍

2．1 表面微织构陶瓷刀具的制备

2．1．1 实验材料

2．1．2 激光加工技术及激光设备

2．1．3 表面微织构的设计

2．1．4 表面微织构三维形貌的测量和分析

2．2 切削实验设计

2．2．1 工件材料

2．2．2 切削实验设备

2．3 表面微织构陶瓷刀具正交切削的有限元仿真介绍

2．4 本章小结

第三章 表面微织构陶瓷刀具切削过程的有限元分析

3．1 表面微织构陶瓷刀具正交切削模型的建立与分析

3．1．1 金属弹塑性成形的有限元理论基础

3．1．2 表面微织构陶瓷刀具几何模型的建立

3．1．3 表面微织构陶瓷刀具正交切削模型的建立

3．1．4 表面微织构陶瓷刀具正交切削模型的模拟结果分析

3．2 表面微织构的“二次切削”现象

3．3 表面微织构对切削力的影响

3．4 表面微织构对切削温度的影响

3．5 表面微织构对切削应力的影响

3．6 本章小结

第四章 表面微织构陶瓷刀具切削45#淬火钢的实验分析

4．1 实验条件和实验方法

4．2 表面微织构陶瓷刀具切削45#淬火钢的实验结果与分析

4．2．1 切削力

4．2．2 切削温度

4．2．3 刀屑接触面的平均摩擦系数

4．3 表面微织构陶瓷刀具切削45#淬火钢的实验结果与仿真结果的对比分析

4．3．1 切削力

4．3．2 切削温度

4．4 本章小结

第五章 表面微织构陶瓷刀具的磨损形貌和磨损机理分析

5．1 实验方案

5．2 表面微织构陶瓷刀具的磨损分析

5．2．1 表面微织构陶瓷刀具的前刀面磨损

5．2．2 表面微织构陶瓷刀具的后刀面磨损

5．3 表面微织构对切屑的影响

5．3．1 表面微织构陶瓷刀具切削45#淬火钢的切屑形貌

5．3．2 表面微织构对切屑尺寸的影响

5．4 表面微织构陶瓷刀具的磨损机理分析

5．5 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

声明

致谢