织构化AlCrN涂层刀具车削加工奥氏体沉淀硬化不锈钢的切削性能研究

在基体为WC基硬质合金的Al Cr N涂层刀具前刀面应用激光技术加工出平行于切削刃的微织构,制备Al Cr N涂层织构化刀具;在液体润滑条件下对奥氏体沉淀硬化不锈钢(0Cr15Ni25Ti2Mo Al VB)进行切削试验,研究其切削性能,并与传统Al Cr N涂层刀具进行比较。分析了切削速度对切削力及切削温度的影响,并采用扫描电子显微镜(SEM)与X射线能谱仪(EDS)观察刀具的磨损形貌。研究结果表明:与传统Al Cr N涂层刀具相比,Al Cr N涂层织构化刀具能够有效降低切削温度、切削力和刀—屑接触面摩擦因数;由于微织构的存在,液体润滑时,润滑剂能够渗入到Al Cr N涂层织构化刀具的刀—屑接触面,因而具有良好的抗粘着性及耐磨性。     

涂层刀具表面织构化及切削性能研究

采用激光技术在基体为硬质合金的涂层刀具前刀面易发生月牙洼磨损区域进行织构化处理,制备涂层织构化刀具;在液体润滑条件下进行切削试验,研究其切削性能,并与硬质合金织构化刀具及传统刀具进行比较。结果表明:与传统刀具相比,硬质合金织构化刀具和涂层织构化刀具能够有效降低切削力、切削温度和刀屑接触面摩擦因数,涂层织构化刀具效果尤为明显;液体润滑时,由于织构的存在,润滑剂能够渗入到硬质合金织构化刀具和涂层织构化刀具刀屑接触面,因而具有良好的抗黏着性及耐磨性,其中涂层织构化刀具最优。     

刀具表面微织构对刀——屑界面特性的影响研究

刀—屑界面的剧烈摩擦和高温会导致刀具快速磨损和加工效率低下。微织构作为用于刀具表面改善刀—屑界面特性和提高金属切削性能的一种方法,经证明效果明显。目前,关于微织构对刀—屑界面特性的影响机理及量化关系的研究较少,刀具微织构技术发展缓慢。本文利用激光打标机在刀具表面加工出不同参数的微织构,通过金属切削试验和理论模型解析,得到微织构刀具对刀—屑界面摩擦特性、刀—屑接触长度和刀—屑界面应力场等的影响关系。研究结果表明:刀具表面微织构降低了刀—屑界面的摩擦系数,减小了刀—屑接触和粘结区长度,改变了切削刃处的正应力和刀具表面应力场,为刀具表面微织构的研究和设计提供理论参考。     

织构化刀具切削性能测试及切削温度仿真分析

研究织构化硬质合金刀具对切削Ti6Al4V钛合金性能的影响。在干切削和低温微量润滑(CMQL)条件下,通过开展无织构和织构化刀具切削试验,分析不同刀具在不同润滑条件下切削力和摩擦因数变化规律。结果表明:微沟槽刀具在CMQL条件下的切削性能最好,在干切削条件下的切削性能最差,表明微沟槽在CMQL条件下能有效改善刀具的摩擦学性能,而在干切削条件下反而增大了刀具的摩擦磨损。通过仿真分析织构化刀具高速干切削条件下的切削温度,结果表明:织构化刀具干切削条件下的切削温度高于无织构刀具,这是因为表面织构增大了刀具表面的粗糙度,加剧了刀-屑界面摩擦。     

不同润湿性微/纳织构化刀具切削性能研究

针对15-5PH固溶处理不锈钢等难加工材料切削过程中刀具磨损快速的问题,采用激光加工及表面处理技术制备得到不同润湿性的硬质合金微/纳织构化刀具。通过对15-5PH固溶处理不锈钢的切削试验,研究了不同润湿性微/纳织构化刀具的切削性能及减摩机理。试验结果表明:在微量润滑条件下,刀具表面低润湿性微/纳织构的存在可有效降低切削力、前刀面平均摩擦系数及切削温度,同时还能进一步改善刀—屑界面的润滑状况,减缓刀具磨损。     

织构参数对刀具表面摩擦系数的影响研究

研究了前刀面具有圆形凹坑阵列微织构的YT15硬质合金刀片对45钢工件进行切削试验时,其微织构参数与刀—屑界面平均摩擦系数的关系。通过单因素试验,获得各织构参数分别和刀—屑界面平均摩擦系数的关系:当凹坑直径小于200μm时,直径越大摩擦系数越小;接触区面积占有率在70%-75%时,摩擦系数较大,接触区面积占有率大于75%,时则可保证刀—屑界面摩擦系数较小;织构凹坑深度为4μm时,可以获得最小平均摩擦系数。验证了织构凹坑直径、接触区面积占有率以及凹坑深度等织构参数对刀—屑摩擦系数的关系,得出了在刀具前刀面加工出合适参数的微织构可有效降低刀—屑界面摩擦系数的结论。     

沟槽型表面微织构麻花钻的钻削性能仿真

刀具表面置入微织构能够有效提高刀具切削性能和减小刀具磨损。针对麻花钻磨损严重问题,在麻花钻的前刀面刀—屑接触区域设计沟槽型表面微织构,利用Deform-3D软件建立表面微织构麻花钻钻削45钢的三维仿真模型,并研究沟槽宽度和间距对表面微织构麻花钻的钻削性能影响和作用机理。仿真结果表明:表面微织构的置入能够有效降低钻削力和减少钻头磨损,并改善麻花钻前刀面的最大温度分布,避免了最大温度的集中;当沟槽宽度增加时,钻削力呈先减小后增加的趋势;当微织构沟槽间距减小时,刀—屑接触区域内起作用的微织构数量增多,钻削力、钻削温度和钻头磨损呈减小趋势。     

微织构刀具及其切削加工

微织构刀具的研究始于21世纪初,其主要技术思想是通过在刀具表面的特定位置上加工出表面织构以改善切削加工中刀-屑接触界面的摩擦润滑状态,已成为一种极具发展潜力的刀具。针对微织构刀具的研究进展,对多种不同类型微织构刀具的制备、切削性能和理论基础进行了介绍。     

仿生微坑—槽复合织构陶瓷刀具硬车削性能研究

在金属加工中,切屑一般被当做固体进行研究。有研究表明,切屑具有类似于流体的特性,因此,刀—屑接触处于固体与固体接触和固体与流体接触的混合状态。为改善刀具切削性能,综合考虑刀具与切屑接触的混合状态以及切屑流动方向,本文基于蜣螂表皮和鲨鱼表皮,在陶瓷刀具前刀面设计加工了微凹坑织构(DT)、微沟槽织构(GT)和微坑—槽复合织构(DGT)。通过有限元仿真和车削试验,研究了不同切削速度下干式车削GCr15淬硬轴承钢时织构对于刀具切削性能的影响规律。研究表明:三种织构刀具有效改善了陶瓷刀具的切削性能;微坑—槽复合织构刀具(DGT)在不同切削速度下切削性能均为最优;微凹坑织构刀具(DT)在较低切削速度时表现出相对良好的减摩特性,适合于较低的切削速度;微沟槽织构刀具(GT)更适合于较高的切削速度。     

基于Fluent的涂层刀具切削热传导研究

切削过程中,第二变形区刀具前刀面和切屑底部摩擦产生的热量通过刀—屑接触面流入到刀具体中,进而引起刀具温度的升高,过高的刀具温度会降低刀具强度,缩短刀具寿命。本文基于Fluent固体能量方程构建刀—屑接触面传热有限元模型,探讨涂层刀具在切削H13淬硬模具钢时涂层材料、涂层厚度和刀—屑实际接触面积对刀—屑接触面传热的影响规律。研究结果表明:在相同的刀—屑接触面温度和相同的涂层厚度条件下,Al2O3涂层对切削热传导的阻碍作用最为明显;涂层越厚,则刀—屑接触面处温差越大,较厚的刀具涂层能够有效降低刀具体内温度;刀—屑的不完全接触对刀—屑接触面处的热传导影响较大,随着刀—屑实际接触面积的减少,刀—屑接触面处的温差逐渐增加,减小刀—屑实际接触面积有利于降低刀具体内温度。     

微织构刀具织构参数优化仿真研究

高温镍基合金在切削加工过程中,较大的切削力会产生较高的切削温度,造成刀具磨损严重、加工表面质量差等加工难题。在刀具前刀面加工区域,设计微观织构(微织构)可以改善切削加工中刀-屑接触面的摩擦润滑状态,从而改善刀具的切削性能。采用有限元仿真软件对正弦型微织构刀具进行切削镍基合金的仿真实验,通过正交实验研究正弦型微织构刀具的织构刃边距、织构宽度、织构间距、正弦曲线幅值和周期长度5个织构参数对刀具切削性能的影响,并优化了正弦型微织构刀具的织构参数。结果表明:正弦型微织构刀具的主切削力降低程度与织构参数密切相关,且织构参数对主切削力大小的影响程度依次为:织构刃边距织构间距织构宽度正弦曲线幅值周期长度。优化后得到的刀具切削力、切削温度和断屑能力优于优化前无微织构刀具。     

表面织构对刀具主剪切区特性的影响研究

表面织构能明显改善刀具的切削性能,进一步清晰织构刀具的切削机理。将数值仿真及理论解析相结合,研究表面织构对刀具主剪切区特性的影响,分析主剪切区剪切角、温度及切屑形变量参数的变化。结果表明:刀具表面织构影响了刀-屑界面的接触及摩擦特性,增大了刀具主剪切区的剪切角,进而减小了刀具的切削力、刀-屑界面温度及切屑剪切形变量;主剪切区的温度却因单位时间内被切材料的剪切滑移率增大而小幅增加。本研究为清晰织构刀具的切削机理奠定了理论及技术基础。     

激光微织构表面脂润滑性能试验研究

采用声光调 Q 二极管泵浦固体光源（DPSS）Nd∶YAG 激光器,在45＃钢试样表面进行激光微织构加工,采用 VYKO-NT1100三维形貌分析仪对微观织构形貌进行测量。以二硫化钼润滑脂为润滑剂,在 MMW-1A 型摩擦磨损试验机上进行微织构试样和光滑试样在不同工况条件下的摩擦性能对比试验。试验结果表明,在一定条件下,面积占有率为14％的微凹腔织构表面的脂润滑性能明显优于未织构光滑表面,且随着微凹腔面积占有率的增大,摩擦因数波动范围变小;凹槽织构表面较未织构光滑表面具有更好的润滑稳定性;在脂润滑条件下,激光微织构表面较未织构光滑表面摩擦因数最大可降低26％。     

基于原子沉积法的纳米Al2O3涂层微织构刀具刀-屑界面间摩擦系数研究

采用原子沉积法(Atomic Layer Deposition,ALD)分别在点状微织构和条状微织构YT5硬质合金刀具(微织构刀具)上制备了纳米Al_2O_3涂层,通过直角切削实验研究了纳米Al_2O_3涂层对微织构刀具刀-屑界面间摩擦系数的影响,并将纳米Al_2O_3涂层微织构刀具与微织构刀具、YT5硬质合金刀具进行对比。结果表明,微织构能降低刀具刀-屑界面间的摩擦系数;纳米Al_2O_3涂层能进一步降低微织构刀具刀-屑界面间的摩擦系数,其中厚度为100 nm的Al_2O_3涂层微织构刀具刀-屑界面间的摩擦系数最小,当点状微织构间距为0.15 mm时摩擦系数值最优,当条状微织构方向垂直于主切削刃时摩擦系数值最优;刀具刀-屑界面间的摩擦系数随着切削速度的增加而增大。纳米Al_2O_3涂层与微织构相结合将刀-屑界面间的摩擦由滑动摩擦转变为滑动-滚动复合摩擦的形式,降低了微织构刀具刀-屑界面间的摩擦系数,改善了摩擦性能,有利于提高刀具耐用度。     

微织构衍生切削下的钛合金正交微切削性能分析

针对微织构刀具加工过程中的衍生切削效应,利用正交微切削单元开展了微坑刀具及无织构刀具的钛合金微切削实验,从切屑底面形貌、微坑黏结状态等方面分析了微坑刀具微切削性能;通过ABAQUS软件对微织构刀具微切削钛合金过程进行有限元模拟,分析微坑织构的衍生切削作用对刀-屑接触应力分布及切削力的影响,优化设计微坑边缘过渡区参数并进行切削仿真分析。实验和仿真结果表明,微坑会减小前刀面黏结,存储微屑,减小刀-屑接触应力,提高刀具减摩性能;但微坑与切屑的衍生切削作用会增大瞬时切削力,降低切削过程平稳性。此外,微坑过渡区优化可改善切削过程波动,降低切削力,改变切屑形态,改善切屑在微坑的流入/流出状态,有助于减小微坑织构衍生切削效应,提高织构的减摩效果。     

不同形貌微织构自润滑陶瓷刀具切削性能的对比

采用激光技术在Al2O_3/TiC陶瓷刀具前刀面加工出微凹坑和微沟槽2种微织构,并填充MoS2固体润滑剂制备得到微织构自润滑刀具,研究了不同形貌微织构自润滑刀具对淬硬钢的切削性能,并与传统无织构陶瓷刀具的进行了对比。结果表明:在不同切削条件下,采用微凹坑织构刀具切削时的主切削力较采用无织构刀具的平均降低了26.91%,而采用微沟槽织构刀具切削时的平均下降了15.85%;在切削速度较高、进给量和背吃刀量均较小的条件下,采用微织构刀具切削后工件的表面粗糙度较采用无织构刀具的有明显下降;微凹坑织构刀具切削后的切屑变形程度明显低于微沟槽织构刀具和无织构刀具切削后的,其前刀面的磨损程度明显低于微沟槽织构刀具和无织构刀具的,微凹坑织构刀具比微沟槽织构刀具表现出更佳的切削性能。     

仿生微织构对刀具切削性能影响的有限元分析

仿生摩擦学的相关研究表明,高性能的表面微织构具有良好的减摩抗磨性能。本文利用ABAQUS软件,对无微织构和有微织构硬质合金刀具的二维直角切削过程进行了有限元分析。仿真试验表明:一定尺寸的沟槽微织构可以有效改善刀—屑摩擦过程中的应力分布状况,减少应力集中现象,既提高了刀具的减磨性能,同时还可以降低20%左右的切削力。然后,采用激光加工方法在YG8硬质合金刀片的前刀面置入不同宽度的沟槽微织构,在一定载荷条件下进行摩擦磨损试验。试验发现:沟槽型微织构可以有效地降低硬质合金刀面的摩擦系数,并且不同宽度的沟槽其减摩效果是不一样的。     

仿生微织构对刀具切削性能影响的有限元分析

仿生摩擦学的相关研究表明,高性能的表面微织构具有良好的减摩抗磨性能.本文利用ABAQUS软件,对无微织构和有微织构硬质合金刀具的二维直角切削过程进行了有限元分析.仿真试验表明:一定尺寸的沟槽微织构可以有效改善刀—屑摩擦过程中的应力分布状况,减少应力集中现象,既提高了刀具的减磨性能,同时还可以降低20％左右的切削力.然后,采用激光加工方法在YG8硬质合金刀片的前刀面置入不同宽度的沟槽微织构,在一定载荷条件下进行摩擦磨损试验.试验发现:沟槽型微织构可以有效地降低硬质合金刀面的摩擦系数,并且不同宽度的沟槽其减摩效果是不一样的.     

高速切削难加工材料刀—屑界面接触特性研究

刀—屑接触长度和摩擦系数是表征刀—屑界面接触特性的主要物理量,直接影响切屑第二变形区切削热产量及刀具磨损。使用PCBN刀具正交车削GH3030高温合金和TC4钛合金,研究了两种材料的切削加工过程中刀—屑接触长度和刀—屑界面平均摩擦系数随切削速度和进给量的变化规律,分析了两种材料车削时摩擦系数和接触长度存在差异的原因。在高速切削下,建立了两种材料的刀—屑接触长度的直线和二次模型,发现TC4的二次模型能更好地预测接触长度,GH3030的直线模型和二次模型的相关系数相差不超过0.06。     

表面微坑织构刀具结构强度的有限元仿真

在月具前刀面置入微织构能够改善刀屑间的摩擦状况,提高刀具的切削性能.为了研究表面织构的置入对刀具的应力、变形等产生的影响,本文针对微坑阵列结构,通过有限元软件ABAQUS对表面微坑织构刀具的结构强度进行仿真.结果表明:微坑的置人在一定程度上降低了刀具强度,增大了刀尖变形.在本文的研究范围内,与微坑深度、间距相比,微坑直...