具有微织构摩擦表面的燃气轮机榫槽拉刀减阻效应的研究

摘要

现代金属切削加工技术飞速发展，环保高效逐渐成为加工过程中的新趋势。在加工过程中，刀具和工件间所产生的摩擦是刀具磨损和能源耗费的主要原因之一。近年来，仿生摩擦学的研究表明:具有合理尺寸和结构的表面微织构可以起到明显的减摩作用，为此，人们为减小刀具表面的摩擦，使其摩擦表面具有微织构，目前，针对微织构刀具的大量研究成果均证明微织构具有提高刀具切削性能、降低刀具磨损的效果。同时，自然界中各种功能独特的生物非光滑表面为微织构刀具的研究提供了丰富的构形资源。
　　拉刀属于切削加工中的复杂刀具，特别对于重型燃气轮机榫槽加工所用的拉刀，其承受的拉削力大，拉削温度高，刀具磨损严重;另外，这种大规格尺寸的拉刀由于结构复杂在国内没有制造企业来生产，主要依赖于进口，成本高。本文将采用仿生微织构的设计思想来设计这种拉刀的摩擦表面，以达到降低拉削力、提高拉削效率的目的。本文主要研究内容如下:
　　(1)分析仿生微织构的种类与尺寸，概述仿生微织构刀具的研究现状，并总结气轮机榫槽加工的拉削工艺及拉刀的研究现状。
　　(2)利用有限元分析软件ABAQUS分别对微织构刀具和无织构刀具进行切削过程的数值模拟，分析并比较切削过程中两种刀具前刀面的应力分布情况和工件刀具间摩擦阻力的大小，数值分析结果显示:微织构刀具前刀面处应力分布更加均匀，工件与刀具间的摩擦阻力更小，仿真结果为表面微织构在刀具设计方面的应用提供了一定的设计依据。
　　(3)对刀具表面微织构的尺寸参数进行研究，并采用激光加工技术在YT5和YT15两种型号的硬质合金刀具表面加工出合理尺寸和结构的仿生微织构，然后采用正交设计的方法来安排所进行的切削实验，并通过测力仪采集切削过程中的切削力并对切削力进行分析。结果表明:微织构刀具可显著减小切削过程中的切削力。其中，垂直于切屑流方向的微织构在提高刀具切削性能方面具有更加明显的效果，尺寸较小的微织构表现出更显著的减阻降磨效果。
　　(4)对微织构刀具和无织构刀具进行刀具磨损实验，并分别从切削力、切削温度、刀具磨损和切屑形状四个方面进行研究。研究结果显示:微织构刀具具有较小的切削力、较轻微的刀具磨损、较低的切削温度和较好的断屑卷屑效果。根据实验结果分析微织构刀具的减阻机理主要有:二次润滑;存储磨屑，减小刀具和工件的接触面积;减小刀屑接触长度;产生附加流体动压，易形成润滑膜。减阻机理的总结可为微织构刀具的设计提供一定的理论依据。
　　(5)总结重型燃气轮机榫槽的结构特点，分析不同拉削方式的特点及其应用范围;探讨拉刀几何参数对拉削工艺的影响程度，分析造成重型燃气轮机榫槽加工所用拉刀磨损严重的原因，并将研究结果应用于该拉刀的设计中，给出微织构拉刀的设计方案。同时利用有限元静力学分析的方法建立拉刀静载模型，分析刀具应力分布，结果显示微织构可使拉刀刀面的应力分布更加均匀，有效地避免了应力集中现象。

目录

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摘要

图目录

表目录

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 仿生微织构的种类与尺寸

1．2．1 波纹型微结构

1．2．2 凸包形微织构

1．2．3 凹坑形微织构

1．2．4 沟槽形微织构

1．3 微织构刀具的研究现状

1．4 燃气轮机轮盘榫槽拉削工艺及拉刀研究现状

1．4．1 燃气轮机轮盘榫槽拉削工艺

1．4．2 拉刀研究现状

1．5 研究内容和方法

第二章 微织构刀具切削实验的仿真分析

2．1 ABAQUS有限元软件简介

2．2 有限元模型的建立

2．3 仿真结果与分析

2．3．1 应力分布分析

2．3．2 切削力的分析

2．4 本章小结

第三章 微织构刀具的切削力分析

3．1 微织构刀具的加工

3．1．1 激光加工设备

3．1．2 微织构几何参数的选择和加工

3．1．3 微织构的后处理和观察

3．2 切削实验

3．2．1 实验方案

3．2．2 实验结果及分析

3．3 本章小结

第四章 微织构刀具磨损实验及减阻机理的研究

4．1 微织构刀具磨损实验

4．1．1 实验方案

4．1．2 实验结果分析

4．2 微织构的减阻机理

4．2．1 二次润滑

4．2．2 存储磨屑，减小刀具和工件的接触面积

4．2．3 减小刀屑接触长度

4．2．4 产生附加流体动压，易形成润滑膜

4．3 本章小结

第五章 微织构在榫槽拉刀上的应用

5．1 重型燃气轮机轮盘榫槽的结构特点

5．2 榫槽拉削工艺特点

5．3 拉刀在加工过程中的磨损分析

5．4 拉刀表面的微织构设计

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

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