微池自润滑干切削刀具的研究

综合运用切削理论、干切削技术、刀具设计和自润滑技术等多学科理论和方法，提出全新微池自润滑干切削刀具的新思路，以改善干切削过程的摩擦润滑状态，其主要原理是在刀具刀-屑(或刀-工)接触区加工出微孔阵列，在其中添加固体润滑剂，切削时由于高温的作用使微孔中的固体润滑剂软化而拖覆于刀具表面，在刀-屑(或刀-工)接触区形成连续的固态润滑膜，产生所谓的微池润滑效应，从而实现刀具本身的自润滑，以达到减小摩擦、降低磨损和提高刀具寿命的目的。通过对微孔位置、形状和大小、微孔排列、孔间距和长径比的设计以及固体润滑剂作用机理和控制技术的研究，建立微池自润滑干切削刀具的设计理论，研究开发出具有低摩擦系数和自润滑功能的微池自润滑干切削刀具，揭示其减摩和抗磨机理。微池自润滑刀具的研究开发不仅为干切削刀具的设计提供了新的思路和新的研究领域，还将对防止切削液对环境的污染和实现绿色加工起到极大的推动作用。

提出了微池自润滑刀具的的概念、设计思路、设计模型及其实现方法，以改善干切削过程的摩擦润滑状态，研究开发出了具有减摩润滑作用的微池自润滑干切削刀具，并探索了其减摩润滑机理。首先，建立了微池自润滑刀具的切削力和切削温度的理论模型，结果表明：切削力和切削温度与刀具前刀面剪切强度及刀—屑接触长度成正比，因此，降低剪切强度和刀—屑接触长度，可有利于减小切削过程中的切削力和切削温度。其次，系统研究了微织构结构参数对微池自润滑刀具应力分布状态的影响，确定了微池自润滑刀具微织构的最佳位置和结构参数，采用微细电火花和激光加工技术制备出具有减摩润滑作用的微池自润滑刀具。第三，系统考察微池自润滑刀具的摩擦磨损特性，分析了微织构结构参数、固体润滑剂等因素对微池自润滑刀具试样摩擦磨损特性的影响，结果表明，微池自润滑刀具试样的摩擦系数和磨损率与普通试样相比显著降低，表现出良好的摩擦磨损特性，其主要原因在于：存储于微池自润滑刀具试样微织构中的固体润滑剂受到相对摩擦和挤压作用而拖覆在摩擦副表面，并在摩擦副表面形成一层转移膜，使摩擦发生在转移膜之间进行，转移膜具有较低的剪切强度，从而降低摩擦副之间的摩擦系数，改善试样的摩擦磨损特性。最后，对制备的微池自润滑刀具进行了切削试验，结果表明：与传统刀具相比，微池自润滑刀具的切削力、切削温度以及前刀面平均摩擦系数显著降低，其中切削力较传统刀具降低25~35%，切削温度降低15~20%。提出了微池自润滑刀具切削过程中减摩模型，揭示了微池自润滑刀具的减摩润滑机理，即：微池自润滑刀具在切削时刀具表面能够形成固体润滑膜，减少刀具表面的平均剪切强度、减小刀具—屑间的粘结，从而降低前刀面的平均摩擦系数、切削力和切削温度，同时刀具前刀面的微织构能够降低刀屑接触长度。.本课题的相关研究成果已发表基础理论研究论文35篇，其中：国际刊物22篇，被SCI收录25次、被EI收录30次，申报国家发明专利7项，获发明专利授权5项，获教育部自然科学二等奖1项。已培养毕业博士生3名和硕士生2名，在读博士生和硕士生各1名，达到了预期目标。