黑色金属金刚石切削刀具磨损及其抑制的研究

摘要

黑色金属因其具有良好的机械力学性能，在工业和国民经济领域中具有广泛的应用。然而在实际生产中，有很多形状复杂、加工精度要求极高的黑色金属制成的零件，加工方式仍采用传统的磨削、研磨及抛光工艺，其加工周期长、成本高且加工精度也难以保证，迫切需要采用高效超精密微量切削方式实现以车代磨，以提高加工效率和加工精度。天然单晶金刚石是世界上公认的最理想的超精密切削用刀具材料，但在常规条件下因其磨损速率过快而不能用于黑色金属切削。因此，进行黑色金属金刚石切削刀具磨损及其抑制的研究，对扩大金刚石超精密切削技术的应用领域具有重要的意义。
　　金刚石刀具磨损机理的研究是实现黑色金属超精密切削加工的基础。当前普遍接受的刀具热化学磨损机理仅考虑了温度的作用，忽略了实际加工过程中机械力作用下的摩擦磨损行为对刀具磨损的影响。因此，本文基于摩擦化学理论，综合考虑力和热对刀具磨损过程的影响，分析了黑色金属金刚石切削过程中刀具磨损的主要影响因素；通过黑色金属金刚石界面热腐蚀实验，获得了界面摩擦化学反应类型及条件；以此为基础，进行了黑色金属金刚石界面摩擦磨损实验，系统地研究了机械力、摩擦速度、工件材料组份及摩擦界面温度对刀具磨损影响的主次关系及规律，为探索抑制刀具磨损的技术措施提供了理论基础。
　　为了进一步研究黑色金属金刚石界面的摩擦磨损行为，对界面摩擦过程进行了仿真建模与分析，获得了正压力和摩擦速度对摩擦接触区温度场分布及应力状态的影响规律；基于界面摩擦磨损实验结果，建立了金刚石刀具磨擦化学磨损的数学预测模型；在此基础上，进行了典型黑色金属材料的单晶金刚石切削实验，对黑色金属金刚石界面热腐蚀实验和摩擦磨损实验结果以及所建立的金刚石刀具磨擦化学磨损的数学预测模型的正确性进行了验证。
　　在以上研究基础上，本文分别对金刚石的石墨化磨损过程、扩散磨损过程以及氧化磨损过程进行了研究。采用分子动力学仿真技术，分析了过渡金属Fe元素对金刚石晶体结构发生石墨化转变的催化作用机理；建立了单晶金刚石中碳原子向Fe晶格中扩散的数学预测模型，并对金刚石刀具切削黑色金属时的扩散过程进行了数值模拟和相关实验验证；基于化学反应的热力学理论，对金刚石刀具氧化磨损过程进行了热力学分析并进行了相关实验验证，为阐明金刚石刀具的氧化磨损机理提供了理论依据。
　　结合机械力和温度对刀具磨损影响的分析，本文进行了基于超声振动效应的刀具磨损抑制的仿真及实验研究，分析了超声振动切削降低刀具磨损的作用机理。在此基础上，进行了单晶金刚石刀具超声振动切削典型模具钢的实验，获得了工艺参数对刀具磨损及加工表面粗糙度的影响规律。此外，进行了基于低温微量润滑的刀具磨损抑制的仿真及实验研究，获得了不同冷却润滑方式和不同切削液对模具钢金刚石切削刀具磨损的影响规律，结果表明，低温微量润滑方式和纳米流体切削液在减小金刚石刀具磨损方面具有明显优势。在以上研究的基础上，提出了采用超声振动和低温纳米流体微量润滑复合切削黑色金属以降低金刚石刀具磨损的工艺措施，实验结果表明，该复合切削工艺可显著提高刀具耐用度。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 课题背景及研究的目的和意义

1.3 黑色金属金刚石切削加工技术的国内外研究现状

1.4 摩擦化学理论的国内外研究现状

1.5 本文的主要研究内容

第2章 热-力耦合作用下金刚石刀具磨损过程的摩擦化学分析

2.1 引言

2.2 基于摩擦化学理论的刀具磨损主要影响因素分析

2.3 黑色金属金刚石界面热腐蚀实验研究

2.4 黑色金属金刚石界面摩擦磨损实验研究

2.5 本章小结

第3章 黑色金属金刚石摩擦化学磨损预测模型研究

3.1 引言

3.2 界面摩擦磨损的有限元仿真分析

3.3 刀具摩擦化学磨损预测模型的建立

3.4 刀具摩擦化学磨损预测模型的实验验证

3.5 本章小结

第4章 黑色金属金刚石切削刀具磨损机理研究

4.1 引言

4.2 金刚石石墨化磨损过程的分子动力学仿真研究

4.3 金刚石扩散磨损过程的建模分析与实验研究

4.4 金刚石氧化磨损过程的热力学分析

4.5 本章小结

第5章 黑色金属金刚石切削刀具磨损抑制研究

5.1 引言

5.2 基于超声振动效应的刀具磨损抑制的仿真及实验研究

5.3 基于低温微量润滑的刀具磨损抑制的仿真及实验研究

5.4 基于超声振动与低温纳米流体微量润滑复合作用的刀具磨损抑制研究

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢

个人简历