微织构车削刀具的优化设计及切削性能研究

摘要

干切削加工技术符合绿色制造理念，顺应现代制造业可持续发展的趋势。干切削中少了切削液的使用，这对刀具提出了更高的要求。近年来，在切削刀具表面引入微织构是一种常见而有效的方法。合理的表面织构形态具有良好的减磨润滑作用，能有效改善刀具的切削性能并提高刀具的使用寿命。本文利用有限元分析法(FEM)研究了微织构形态对刀具表面应力分布及刀具切削性能影响规律，优化了刀具的微织构结构参数，并通过试验验证了微织构刀具的优良切削性能。主要研究内容如下： (1)设计了四种不同形态的微织构并建立了刀具模型，使用ANSYS有限元软件对刀具施加载荷后得到Von Mises应力分布，通过比较应力大小和刀刃上的应力集中状态选出最佳织构形态，为平行于主切削刃方向的条纹状织构MT-1。继续对该形态的织构进行优化，依次探索了织构边缘距离切削刃的距离、织构中心间距、织构宽度、织构深度以及织构截面形状对刀具前刀面应力分布状况的影响。最终得到基于改善刀具前刀面应力分布状况的优化微织构刀具结构：织构形状为MT-1，边缘距离L=100μm、微织构中心间距A=100μm、微织构宽度B=50μm、微织构深度d=25μm，微织构截面形状为V形。 (2)在基于改善应力分布而优化的微织构形态及尺寸基础上，对微织构参数进行细化，并设计了织构宽度、织构深度、边缘距离的三因素三水平正交实验。利用ABAQUS有限元法对拥有不同织构尺寸的九组刀具分别进行二维切削仿真，探索了三种因素对刀具切削力和切削温度的影响规律，并得到了优化后的织构尺寸：织构宽度B=25μm、织构深度d=10μm、边缘距离L=50μm。基于该尺寸进行织构面积比(织构宽度不变)的优化，对织构面积比率分别为25%、33.3%、50%、62.5%进行了仿真研究，发现织构面积比为33.3%~50%的刀具性能较好。进一步进行了织构截面形状的对比研究，发现不同面积比下，V形截面织构均比矩形截面织构更有优势。 (3)采用激光加工的方法在刀具前刀面上加工了优化后的微织构结构，制备出微织构刀具，并与普通无织构刀具进行了不同切削速度下的对比切削试验。结果发现微织构刀具比无织构刀具主切削力Fc，进给力Ff，切深抗力Fp分别降低了7%~14%，4%~14%和3%~12%，切削温度降低了3%~11%。将切削力和切削温度的试验结果与仿真结果进行了校验，两者结果趋于一致，证明了利用有限元仿真技术进行微织构刀具性能优化的可行性。

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