可持续供液的刀具表面混合型微结构设计方法研究

During the high speed cutting process of titanium alloys and aluminum matrix composites, the cutting deformation as well as the high temperature and high contact stress generated in the tool-chip interface were the major factors resulting in serious wear of cutting tools, and also the main obstacles restricting the increase of cutting speed. Surface texutre can be applied to change the tribological properties of the tool-chip interface, and then to improve the machining proformance of cutting tools. Aimed to the design and manufacture of the surface texture on cutting tools with minimum quantity lubrication（MQL）, a new idea of mixed surface texute that can contiue to supply lubricant to the tool-chip interface is proposed in this project. Based on the research of tribological properties of the tool-chip interface, the anti-friction mechaism of surface texture and the permeation mechanism of cutting fluids or minimum lubricants through surface texture into tool-chip interface will be investigated. And then, combined with cutting experiments, friction and wear tests and numerical simulations, the methods of establishing textural parameters and selecting lubricating medium will be developed as well as the laser processing of mixed surface mixture for the cutting tools with complex surface. The research results will provide both the theoretical and technical supports for the design and manufacture of surface texture on cutting tools.

高速切削时的切削变形以及刀具-切屑界面摩擦产生的高温强应力场，是导致钛合金、铝基复合材料等难加工材料刀具快速磨损的主要原因，也是制约切削速度进一步提高的主要障碍。应用表面织构可以改变刀具-切屑界面的摩擦学特性，是一种提高刀具切削性能的有效途径。本项目针对微量润滑条件下的刀具表面织构的设计方法和加工技术，提出以具有可持续为刀具-切屑界面供液为目标的刀具表面混合织构的研究思路；通过对刀具-切屑界面切削摩擦学特征的研究，探明表面织构的切削减摩机制，以及切削液、微量润滑油等冷却润滑介质进入刀具-切屑界面的途径；在明确上述科学问题的基础上，结合切削试验、摩擦磨损试验和仿真计算等手段，形成刀具表面混合织构特征参数的设计方法和润滑介质选择方法；同时探索复杂表面刀具的表面混合织构激光加工方法。研究成果将为刀具表面织构设计技术提供理论和技术支撑。

表面微织构作为一种有效、易实现的减摩方式，被应用于发动机缸套表面、轴承轴套表面、刀具表面等减小接触面间的磨损。钛合金作为一种难加工材料，其加工过程中的刀具磨损尤为严重，将微织构特别是混合型微织构引入刀具表面，可以改善刀具切削过程中的刀-屑界面接触状态，减小刀具磨损。项目首先针对多种形状的表面微织构展开研究，设计并搭建表面微织构激光加工平台，以扫描速度、平均输出功率、脉冲频率及离焦量为变量研究激光工艺参数对刀具表面微织构参数及形貌的影响，并通过切削试验证明了微沟槽织构具有最好的减摩效果。然后，针对微沟槽织构刀具展开深入研究，以YG8和PCD作为刀具材料，通过激光工艺参数的综合优化，实现了刀具表面微沟槽尺寸和形貌质量的控制，并通过试验证明，相对于无沟槽刀具，YG8微沟槽刀具在低温微量润滑条件下的平均摩擦系数明显减小，PCD微沟槽刀具干切削时的平均摩擦系数明显减小。最后，展开了混合型织构刀具的设计与试验，使用FLUENT仿真分析刀-屑接触面间润滑流体的流动情况，优选织构尺寸和形状参数使微织构到达最佳的润滑效果，同时优选织构形状组合和排布方式，设计并使用激光在YG8刀具表面制备出具有较好减摩效果的变密度混合型微织构、变形状混合型微织构、变形状变密度混合型微织构，使用制备出的刀具切削TC4钛合金试验，证明变形状变密度混合型微织构刀具对减小切削过程中的切削力、前刀面平均摩擦系数以及前刀面磨损程度具有较大的作用，并分析研究了刀具表面织构及混合型微织构的减摩机理。本项目对延长刀具寿命和改善刀具设计具有重要意义。