面向钛合金高速切削的前刀面冷却-后刀面抗磨复合功效的微织构刀具及其相关机理研究

Based on the performance requirements of cemented carbides tools in high speed machining of titanium materials, cemented carbides cutting tools with rake face textures enhancing the lubricating effect and flank face textures improving the wear resistance are prepared through the laser surface texturing (LST) method. Based on the bionic design idea, new micro-textures on the rake face of the cutting tools with snake-skin shape are designed and the parameters of the micro-textures are optimized through the combination of finite element analysis (FEA) and experimental analysis; Also, the mechanical interlock mechanism of the adhesion layer upon the textured flank face of the cutting tools is revealed through the FEA and experimental analysis; Meanwhile, the parameters of the micro-textures on the flank face of the cutting tool are optimized; And then LST is utilized to fabricate the micro-textures with specific parameters in the cemented carbides tools; Furthermore, the cutting performances, wear mechanisms and failure modes of the micro-textured cemented carbides cutting tools in high speed machining of titanium alloy are investigated. Finally, the preparation theory, preparation method and the machining processing technology for high performance micro-textured cemented carbides cutting tools in high speed machining of titanium alloy are obtained.

基于钛合金材料在高速切削过程中对刀具表面微织构性能的要求，提出综合前刀面微织构促进切削液渗透提高冷却润滑效果-后刀面微织构稳定粘结层提高后刀面耐磨性的表面微织构硬质合金刀具。基于仿生设计理念，根据蛇腹鳞表面微结构，结合有限元仿真及试验分析，对刀具前刀面微织构进行设计优化，得到具有较高切削液渗透性及较高强度的前刀面微织构参数；综合有限元仿真及试验结果，揭示后刀面微织构对粘结层的锚定机理，并对微织构参数进行优化，得到具有较高粘结层锚定作用的后刀面微织构形式及参数；针对特定的硬质合金材料，对激光加工参数进行优化，并采用激光微细加工技术在硬质合金刀具前、后刀面制备得到具有特定形式及参数的微织构；研究在不同加工工艺条件下，兼具前刀面润滑-后刀面抗磨复合功效的刀具在高速切削钛合金时的切削性能、磨损机理及失效机制；最终获得面向钛合金高速切削的表面微织构硬质合金刀具的制备理论、制备方法和加工工艺技术。

钛合金切削过程中刀具寿命问题限制了钛合金在航空航天等领域的广泛应用。本项目提出将表面微织构引入硬质合金刀具，从而提高钛合金切削过程中刀具寿命。项目通过理论建模、仿真分析和试验研究，揭示了切削液渗透刀具表面微织构的机理，研究了微织构参数对切削液在刀具表面微织构渗透性能的影响，并基于切削液渗透能力对刀具表面微织构的参数进行了优化设计。项目通过有限元仿真手段，探究了微织构宽度、深度、间距、距切削刃距离、微织构截面形状、微织构路径等对刀具强度的影响规律，并基于微织构参数对刀具强度的影响规律对刀具表面微织构的参数进行了优化设计。综合切削液渗透性能和刀具强度，确定了表面微织构刀具参数并制备得到了表面微织构刀具。通过摩擦磨损试验分析了表面微织构对刀具表面摩擦磨损性能的影响，证明了表面微织构具有通过储存磨屑、减小摩擦接触面积从而提高刀具表面摩擦磨损性能的作用。开展了表面微织构刀具切削钛合金性能的试验研究，试验结果表明，表面微织构刀具能够有效减小钛合金切削过程中的刀-屑接触面积，降低刀-屑之间的摩擦，从而有效的提高钛合金切削过程中硬质合金刀具的寿命。