表面结构仿生高速钢刀具及其切削性能的研究

近年来，中国的刀具消耗连续位居世界首位。在发展低碳经济的需求下，减少和控制刀具磨损，是延长刀具寿命、节约制造成本的有效手段之一。生物为了适应环境和满足生存需要，经过亿万年的进化，在自然法则下优化出具有极其优异功能的生物体表面。本项目根据仿生学原理，提出一种刀具表面结构仿生的新构想，研制一种基于激光强化的高速钢刀具结构仿生表面。本项目以高速钢刀具为研究对象，以提高刀具表面的耐磨性为研究目标，通过将激光强化和刀具表面结构仿生相结合的手段，共同提高刀具的耐磨性。研究内容包括：探索刀具结构仿生表面的设计方法，研究激光强化仿生结构单元的加工方法，分析结构仿生表面的摩擦学特性，研究激光强化仿生刀具的切削性能。开展本项目研究，将解决激光强化高速钢仿生刀具在设计与加工中的各项关键技术，提供提高刀具表面耐磨性的新途径，建立切削刀具表面结构仿生的基本原理和方法。

中国是切削刀具的消耗大国，如果能够合理设计刀具结构，则可以减少刀具磨损，提高刀具性能，延长刀具寿命。本项目应用仿生学原理，开展切削刀具的结构设计工作，在高速钢刀具的后刀面设计出提高耐磨性能的微凹坑以及网纹等仿生结构表面，在高速钢和硬质合金刀具的前刀面设计出具有良好断屑性能的激光熔覆断屑台，设计出易于再制造的组合式电镀金刚石砂轮。研究了结构仿生表面的摩擦磨损性能，分析仿生单元特征对表面磨损的影响，建立了结构仿生表面的磨损量数学模型，对仿生单元的形态参数进行了优化设计。探索了高速钢刀具材料粉末熔覆仿生强化表面的制造方法，分析高速钢粉末熔覆仿生强化表面的组织结构与磨损性能。针对金属和氟金云母玻璃陶瓷材料，研究了高速钢刀具结构仿生表面的磨损特性。设计并制造了高速钢刀具表面激光粉末熔覆断屑台，研究了高速钢表面激光粉末熔覆刀具的切削过程与断屑效果。通过本项目的研究工作，设计并制造出高速钢刀具的表面仿生结构，可以改善高速钢刀具的表面耐磨性，提供了一种刀具表面仿生设计的新方法。基于仿生原理设计出便于拆卸的组合式砂轮基体，实现了电镀金刚石砂轮的绿色再制造，提供一种新的可回收金刚石砂轮设计方案，为报废金刚石工具的回收和再制造提供了新思路。设计并制造出一种高速钢刀具表面激光粉末熔覆断屑台，有效实现了切削过程的断屑，可以应用于高速钢刀具以及硬质合金刀具。