多尺度微织构刀具衍生切削的形成机理及其抑制方法研究

Derivative-cutting of micro-textured tools refers to the additional cutting to the bottom side of the chip with the micro surface textures on the tool surface. Derivative-cutting usually causes the filling of chip in the surface textures, which may lead to the increase of friction at the tool-chip interface, the cutting forces, and the cutting temperature. Therefore, the interpretation of the formation mechanisms of the derivative-cutting with multi-scale micro-textured tools is very important for the controlling of the derivative-cutting. In this project, systematic research around the principal scientific problems on the derivative-cutting of multi-scale micro-textured tools will be carried out. By analyzing the formation processes of the derivative-cutting, the effect of derivative-cutting on the cutting performance of multi-scale micro-textured tools will be determined, and the formation mechanisms of the derivative-cutting will also be explained scientifically. The relationship between the derivative-cutting and the parameters of the multi-scale micro-surface textures is analyzed, the simulation model of the formation processes of the derivative-cutting is established, and the critical conditions for the formation of the derivative-cutting will be obtained. The matching model of the parameters of the multi-scale micro-surface textures with the workpiece materials and the cutting conditions is established. Strategies, methods, and measures for the controlling of the derivative-cutting will be proposed. The purpose is to prevent the formation of derivative-cutting of multi-scale micro-textured tools actively. Finally, this project will provide theoretical foundation for the design of multi-scale micro-textured tools.

微织构刀具衍生切削是指刀具表面的微织构对切屑底层产生的微小“附加切削”，衍生切削会导致切屑填满微织构内部，使摩擦和切削力增大、切削温度升高、粘结加剧。因此，揭示微织构刀具衍生切削的产生原因、形成机理及其影响因素，对抑制衍生切削的产生具有重要意义。本项目围绕多尺度微织构刀具衍生切削中蕴涵的科学基础问题展开系统研究，通过研究微织构刀具衍生切削过程中的微观物理和力学特征，阐明衍生切削对多尺度微织构刀具切削性能的影响规律，建立多尺度微织构刀具衍生切削成形的仿真模型，揭示多尺度微织构刀具衍生切削的形成机理；通过研究衍生切削与多尺度微织构结构参数之间的关系，获得多尺度微织构刀具衍生切削形成的临界条件；建立多尺度微织构结构参数与工件材料、加工参数等的匹配模型，提出抑制多尺度微织构刀具衍生切削产生的策略、方法与措施，以实现对多尺度微织构刀具衍生切削的主动控制。为指导微织构刀具的设计提供重要的理论基础。

本项目提出了微织构刀具衍生切削概念，即：微织构刀具衍生切削是指前刀面微织构对切屑底部产生的微小“附加切削”现象。设计了切削试验，验证了微织构刀具衍生切削是造成微织构堵塞的主要原因，对比分析了微织构刀具与普通刀具所产生的切削力、刀-屑界面的摩擦系数、刀具前刀面磨损形貌、刀-屑接触长度、切屑形貌和切屑硬度，研究了微织构刀具衍生切削对其切削性能的影响，得出了微织构刀具衍生切削的负作用，即：(1) 微织构刀具衍生切削增加了微织构刀具切削过程中的能量消耗，导致切削力增加；(2) 微织构刀具衍生切削产生的衍生切屑会粘滞在微织构中，导致刀-屑界面的摩擦力增加；(3) 衍生切屑堵塞了微织构，导致微织构无法起到减少刀-屑接触面积、收集磨屑、促进润滑液渗透等作用。利用数学解析方法分析了微织构衍生切削厚度和衍生切削力，建立了考虑衍生切削的微织构刀具切削力模型，分析了微织构距切削刃的距离、微织构宽度、微织构上表面高度和微织构边缘刃口半径对微织构刀具衍生切削形成的影响，揭示了微织构刀具衍生切削形成机理。基于理论分析，提出了抑制微织构刀具衍生切削产生的方法，即：微织构边缘加工倒角和降低微织构上表面高度，据此制备出了两种新型微织构刀具，通过切削试验研究了该新型微织构刀具对抑制微织构刀具衍生切削产生的效果。结果表明：微织构边缘加工倒角，加大了微织构边缘的有效负前角，对微织构衍生切削有抑制作用；降低微织构上表面高度的微织构刀具在不同切削速度下均能够有效抑制衍生切削的产生。一方面，微织构位于刀具前刀面下方，致使切屑底面直接越过微织构边缘而与微织构上表面接触，从而衍生切削被抑制；另一方面，有限长度的前刀面可减少切屑与前刀面的接触长度，使得微织构刀具前刀面的磨损程度得到明显缓解，从而保持了微织构结构的完整性，使微织构更好地发挥减摩抗磨的作用。.本课题相关研究成果已发表基础理论研究论文23篇，国际刊物20篇，SCI收录20篇，到目前为止，发表的论文被SCI他引100余次，出版专著1部，项目负责人入选爱思唯尔中国高被引学者，获国家发明专利授权4项。本课题研究的理论成果获山东省高等学校优秀科研成果一等奖1项（自然科学奖），已培养毕业博士生3名和硕士生3名，获上银优秀博士论文奖1篇。