激光微织构对高速钢刀具切削温升的影响研究

摘要

切削过程中温度过高，易使材料软化出现“粘刀”现象，加剧刀具磨损甚至失效影响工件表面加工质量。为了解决这一问题，国内外学者展开了大量研究。本文即在此研究基础上，采用激光表面微织构技术，在高速钢刀具刀-屑摩擦区域，置入微凹体及微凸体形貌，发挥激光织构形貌尺寸可控、适用范围广、绿色无污染等优势，以实现刀具表面的复合微造型。同时，开展温升试验，验证从切削热产生及传递两种途径降低刀具切削温度的效果，从而提高刀具性能，改善加工质量。论文通过理论模拟与试验相结合的方式，研究了三种不同织构形貌对刀具切削温升的影响规律，介绍了相关基础理论，并进行模拟仿真、激光工艺与车削试验。 论文主要研究内容如下： （1）结合金属切削理论与传热学理论，系统介绍了三大变形区切削规律，在此基础上，给出了各部分（刀具前刀面、工件、切屑等）切削热及切削温度公式及相应热分配系数表达式，综合分析影响切削温升的因素，针对微凹槽、微凹腔、微毛化三种织构形貌，建立高速钢刀具二维切削模型，利用ABAQUS软件仿真切削过程，模拟刀具温度场，对比粗/精两种不同工况下切削温升变化。通过对比分析发现：精加工和粗加工工况下得出的结论基本一致，即微织构形貌对降低刀具切削温度有重要作用；且不同织构形貌降温效果差异较大，微凹槽形貌能最大限度降低高速钢刀具切削温度，微凹腔形貌次之，微毛化形貌最差。 （2）为了获得与织构形貌及尺寸相匹配的激光加工工艺参数，以高速钢材料作为微织构形貌载体，系统开展了三种形貌的工艺试验研究。试验采用两种类型激光加工系统：最新的皮秒激光加工系统和SPI光纤激光加工系统。探究了皮秒激光器泵浦电流、脉冲宽度、扫描速度，对微凹槽和微凹腔形貌的影响；SPI光纤激光器功率和脉冲宽度，对微毛化形貌的影响，获得了与最完整微织构形貌相匹配的激光加工工艺参数。 （3）制备出三种类型织构刀具并进行车削试验。测温装置采用Optris PI在线红外摄像仪，非接触式测量不影响原有温度场，同时专用软件PIConnect可以实现温度场的全程记录。车削试验结果表明：在精/粗加工铝合金材料时，微织构刀具能起到降低切削温度的作用。作用效果方面，微凹槽织构形貌效果最明显，降温比例达20%以上，微凹腔次之，微毛化形貌效果最差，并从摩擦学和传热学两个不同角度阐述了微织构形貌的降温机理。

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