基于摩擦化学理论的黑色金属金刚石微量切削刀具磨损机理分析及实验研究

黑色金属材料在光学元件模具领域有广泛的应用需求。对于复杂形面高精度黑色金属模具，采用传统的切-磨-研-抛工艺制造，加工效率低、加工精度也难以保证。超精密微量切削在光学元件模具制造方面具有确定性加工等技术优势，但该技术尚不能用于黑色金属模具制造，金刚石刀具磨损严重是制约其实际应用的技术瓶颈。本课题针对黑色金属超精密切削加工中存在的问题，系统地研究热-力耦合作用下黑色金属与金刚石间的摩擦磨损行为和摩擦化学反应特征，揭示刀具磨损严重的科学本质；建立工艺参数对刀具磨损影响的预测模型，提出抑制刀具磨损的技术措施；在此基础上，进行黑色金属高效超精密微量切削优化工艺研究，建立切削工艺条件与加工效率、表面完整性的关系，为黑色金属复杂形面高精度元件的金刚石高效微量切削加工提供理论基础与工艺技术支撑。研究结果对拓展金刚石超精密切削技术的应用领域和发展高新尖端技术具有重要理论意义和应用价值。

超精密微量切削在光学元件模具制造方面具有确定性加工等技术优势，但该技术尚不能用于黑色金属模具制造，金刚石刀具磨损严重是制约其实际应用的技术瓶颈。本课题针对黑色金属超精密切削加工中存在的问题，在黑色金属金刚石界面反应试验和摩擦磨损试验的基础上，基于摩擦化学理论，对刀具与工件材料在热能和机械能共同激发下的摩擦磨损行为和摩擦化学反应特征进行了分析，揭示了热-力耦合作用下黑色金属金刚石切削时刀具的磨损机理，为提高刀具耐用度提供了科学依据；结合界面摩擦化学磨损试验结果，仿真分析了正压力和摩擦速度对摩擦接触区温度场分布、应力状态的影响规律；建立了热-力耦合作用下的刀具磨损摩擦化学预测模型，为探索抑制刀具磨损的工艺措施提供了理论基础；针对典型的黑色金属材料，进行了单晶金刚石实际切削试验，验证了黑色金属金刚石界面热腐蚀试验和摩擦磨损试验结果以及所建立的金刚石刀具磨损摩擦化学预测模型的正确性；通过二维超声振动切削的有限元仿真分析，获得了超声振动切削参数及刀具几何参数对切削力和切削温度的影响规律；在此基础上，进行了单晶金刚石刀具超声振动切削典型模具钢的试验，获得工艺参数对刀具磨损及加工表面粗糙度的影响规律，并建立了实际切削加工过程中刀具磨损量的预测模型。研究成果为提高复杂型面高精度黑色金属元件的高效超精密微量切削加工技术水平提供了理论与技术指导。