微量润滑和表面织构双重效用的刀具减磨机理研究

高速切削已成为机械制造业的主流发展方向，然而刀具技术仍是限制难加工材料切削速度进一步提高的关键技术瓶颈，过快的刀具磨损严重制约了难加工材料切削效率的提高。本项目从刀/工接触区减摩降温的角度出发，提出在刀具工作表面设计制作可控表面织构，并结合微量润滑技术，探索高速切削刀/工极端接触条件下的抗摩擦磨损性能，为提高难加工材料切削速度提供一条新途径。项目拟针对难加工材料高速切削时的刀具摩擦磨损这一难题，通过理论分析和试验等手段深入研究冷却润滑介质对刀具的减摩抗粘结作用机理；通过计算机数值模拟，设计合理的刀具表面减磨织构，并利用激光加工或电化学加工技术进行加工；利用表面织构刀具结合微量润滑进行高速切削试验，研究刀具的切削性能；并通过切削物理仿真试验对表面织构减磨作用进行验证。这对促进高速切削刀具技术的发展，以及仿生学应用等均具有重要理论意义和实用价值。

针对切削摩擦磨损问题，对表面微织构刀具在切削加工中的应用进行了系统研究。主要研究成果如下：.（1）通过对传统常规表面刀具在冷却润滑条件下的切削试验，研究了干切削、低温冷风、MQL、低温MQL以及静电环境对钛合金高速切削摩擦状况以及刀具磨损的影响，并结合切削物理仿真试验，分析了冷却润滑介质在刀工副摩擦过程中的作用机理。.（2）研究刀具表面微织构的设计与制造，利用有限元技术分析表面微坑/微沟槽织构参数对刀具应力、变形的影响，以指导刀具表面微坑或微沟槽的设计。在此基础上，利用激光加工与电解加工技术对刀具表面微织构进行加工，对比分析两种加工技术的优缺点，为刀具表面微织构的加工提供依据。.（3）进行硬质合金/钛合金摩擦副的摩擦磨损试验，通过与传统光滑表面试样的对比，研究了表面微织构的减摩性能，试验结果表明，微织构可以有效地降低摩擦副的摩擦因数，相对于微坑深度，微坑直径对摩擦因数影响程度较大，而微沟槽的减摩效果优于微坑。.（4）正交切削试验结果表明，微坑与微沟槽类型的表面微织构均可以有效地降低硬质合金切削钛合金时的切削力与切削温度，有限元仿真结果表明微沟槽的置入可以延长刀屑接触长度，增大切削力的同时扩大了刀具表面热传导面积，降低了切削变形程度，从而降低切削温度。通过对不同织构类型表面织构刀具切削钛合金时形成的切屑形貌的研究，分析了刀具表面微沟槽对切屑变形的影响。.（5）通过车削试验，分析了干切削、MQL以及低温MQL条件下表面微织构硬质合金刀具在高速切削钛合金时的主要磨损形式和刀具耐用度。结果表明表面微织构刀具的刀具寿命明显高于传统光滑无织构刀具，在干切削、MQL和低温MQL条件下，微沟槽织构刀具分别降低刀具后刀面平均磨损5.0%、7.7%、12.3%。通过对表面微沟槽织构刀具的减摩抗粘结机理以及磨损破损机理的分析，表面微沟槽织构的置入可以降低刀具的粘结磨损。微沟槽的强度对沟槽破损有重要影响，在粘结撕裂和切屑冲击的作用下沟槽间的硬质合金会发生破损。