粗糙表面接触界面流体渗入机制及刀-屑界面摩擦调控

摘要

金属切削加工是机械制造业的主导加工方法，在切削加工中仅有30-50％的能量被有效利用，其它的能量则被损耗，其中刀-屑界面摩擦是切削能量损耗的主要因素之一，减小刀-屑界面摩擦成为实现高效、绿色切削的关键。实际刀具切削过程中，刀-屑界面摩擦与切削参数、刀具表面形貌、界面接触力学行为及流体渗入等因素相互耦合，构成了一个复杂的非线性系统。在此系统中刀具表面形貌影响刀-屑界面切削液的渗入、润滑效应及界面接触力学行为，进而影响刀-屑界面摩擦。为此本文从粗糙表面接触界面流体的渗入着手，研究了界面间流体的渗入机制，表面织构类型、表面形貌参数及流体润湿性与界面摩擦的关联，并以此研究为基础通过刀具表面形貌设计调控了刀-屑界面摩擦，为高效、绿色切削技术的发展奠定了理论基础。
　　基于粗糙表面理论及刀-屑界面接触力学行为，建立了刀-屑界面滑移区数值仿真模型，研究了界面内流体的渗入机制及刀具表面织构的作用机理。明确了粗糙表面接触界面内流体的渗入途径，刀具表面织构参数与界面内空体集团数量的关联，阐明了界面接触力学行为及表面织构参数对界面内流体渗入及存储的影响。
　　利用原位观测并结合数值仿真研究了界面接触力学行为下粗糙表面接触界面的演化、界面内流体的润湿铺展路径、铺展面积比及锥形微通道内流体的自输运机制。得出了粗糙表面接触界面法向应力与真实接触面积比的关联规律，分析了微通道尺寸与固-液界面润湿性对粗糙表面接触界面流体铺展路径及面积比的影响;量化了锥形微通道几何参数及固-液界面润湿性与流体自输运机制的关联。
　　利用实验方法研究了切削液润滑工况下硬质合金表面织构、界面接触压力及流体润湿性对界面摩擦的影响，明确了表面织构类型、表面形貌参数及流体润湿性与界面摩擦的关联机制。
　　最后，基于微通道几何参数、固-液界面润湿性与流体自输运机制的关联研究，以及粗糙表面接触界面流体渗入机制、润滑效应与界面摩擦的耦合影响机制研究。通过刀具表面形貌设计，在刀-屑界面形成微通道，改善了刀-屑界面切削液的渗入存储及润滑效应，进而调控了刀-屑界面摩擦，并利用金属切削试验给予了验证。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状

1．2．1 刀-屑界面接触及摩擦学特性

1．2．2 刀-屑界面切削液渗入及毛细管模型

1．2．3 刀具表面织构

1．2．4 织构、润湿性与界面摩擦关联

1．3 国内外研究现状评述

1．4 课题来源

1．5 本文研究内容

2 粗糙表面接触界面间流体渗入特性及织构影响机制

2．1 引言

2．2．1 刀-屑界面接触特性

2．2．2 刀-屑界面摩擦特性

2．2．3 刀具表面粗糙度测量

2．3 粗糙表面接触界面数值仿真模型

2．3．1 粗糙表面数值仿真模型

2．3．2 粗糙表面接触界面数值仿真模型

2．3．3 粗糙表面接触界面流体渗入边界条件

2．4 结果及讨论

2．4．1 界面间流体渗入特性及表面织构影响

2．4．2 表面织构对多空体集团粗糙表面接触界面内流体渗入影响

2．5 本章小结

3 粗糙表面接触界面接触特性及流体铺展机制

3．1 引言

3．2 理论模型

3．3 实验设备及步骤

3．3．1 界面原位观测仪

3．3．2 实验样品

3．3．3 实验步骤

3．4 实验结果及讨论

3．4．1 界面法向应力与实际接触面积比关联

3．4．2 界面间流体润湿铺展路径

3．4．3 固-液界面润湿性对流体铺展面积比影响

3．5 本章小结

4 锥形微通道内流体自输运特性及力学机制

4．1 引言

4．2 数值仿真模型

4．2．1 锥形微通道数值仿真模型

4．2．2 液滴控制方程及边界条件

4．3．1 数值仿真模型验证

4．3．2 微通道内壁亲／疏水性对液滴输运方向影响

4．3．3 微通道锥角对液滴自输运方向影响

4．3．4 微通道锥角及接触角对液滴驱动力影响

4．4 微通道内表面形貌对液滴自输运特性影响

4．4．1 实验材料选择及方案

4．4．2 粗糙内表面锥形微通道液滴能量模型

4．4．3 表面形貌对锥形微通道液滴能量影响

4．4．4 表面形貌对锥形微通道液滴驱动力影响

4．4．5 表面形貌对微通道两端液滴能量差影响

4．5 本章小结

5 表面织构及润湿性与界面摩擦关联机制

5．2．1 摩擦副材料选择

5．2．2 表面织构设计与加工

5．2．3 织构表面润湿性表征

5．2．4 界面摩擦测量

5．3 结果与讨论

5．3．1 表面织构对硬质合金界面磨合期影响

5．3．2 织构面积比对硬质合金界面摩擦影响

5．3．3 织构类型对硬质合金界面摩擦影响

5．3．4 法向载荷对硬质合金界面摩擦影响

5．3．5 润湿性与硬质合金界面摩擦关联

5．4 本章小结

6 刀具表面形貌设计与刀-屑界面摩擦调控

6．1 引言

6．2．1 刀具材料选择

6．2．2 刀具表面织构加工

6．2．3 金属切削实验

6．3 实验结果及讨论

6．3．1 刀具切削力

6．3．2 刀-屑界面摩擦

6．3．3 工件表面粗糙度

6．3．4 刀具表面磨损

6．4 实验结果分析

6．5 本章小结

7 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 论文创新点

7．3 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况