在刀-屑界面持续润滑刀具切削45钢的性能及润滑机理

为提高刀具润滑性能,尽量减少切削液的使用,制备出在刀屑界面持续润滑的新型刀具,能够将切削液通过微通道直接输送到刀屑接触界面内部。采用该新型刀具与普通刀具在干切削和浇注切削液条件下分别进行切削45钢试验,测量了切削三向力,对刀具前刀面磨损面进行SEM微观形貌分析及元素检测,分析了刀具的摩擦磨损特性及润滑机理。试验结果表明,与普通刀具在干切削和浇注切削液条件下相比,刀屑界面持续润滑刀具能够有效减少切削过程中的摩擦磨损,而切削液用量只有传统浇注式切削的1/120。分析前刀面的元素可知,切削液能够更加深入到离主切削刃更近的区域,并能持续供给,这是该刀具具有更好的减摩抗磨效果的主要原因。尽管新型刀具的黏结情况大大缓解,但刀具的磨损机理仍然以黏结磨损和氧化磨损为主。

刀具表面织构对刀-屑界面摩擦学特性的影响

刀具快速磨损限制了金属切削的进一步发展,表面织构技术的提出为改善刀-屑界面摩擦提供了新思路,也是目前降低刀具表面磨损的有效方法之一。从刀-屑界面切削液存储与润滑、微/纳织构、织构方向、织构类型及形状、织构位置等五个方面,概述了现有刀具表面织构对刀-屑界面摩擦学特性的影响,总结了刀具表面织构的共性作用机理,并进行了分类归纳。相应分析结果表明,刀具表面织构改变了刀-屑界面内空体集团的数量及微通道分布,增加了界面内切削液的渗入存储,同时捕捉存储了界面内的磨屑颗粒,改善了刀-屑界面润滑摩擦;且在此过程中,润湿性因素对界面内切削液的渗入、存储及润滑油膜的形成等均存在影响。最后对刀具表面织构技术的发展进行了总结与展望,为刀具表面磨损的调控提供了参考。

织构刀-屑界面滑移区微通道特性数值研究

刀-屑界面滑移区的接触及微通道分布特性直接影响切削液的渗入和刀-屑界面摩擦,对金属切削过程有着重要的影响,针对滑移区接触及微通道分布特性测量难、切削液在刀-屑界面渗入不易量化等问题,建立微织构粗糙刀-屑界面滑移区的接触数值模型,分析滑移区的接触、微通道分布特性以及微织构作用机制。研究表明:滑移区存在3种不同的宏观接触特性,分别为近黏结特性、微通道特性和近分离特性;在近黏结特性区内,刀-屑界面不存在微通道,微织构主要功能为减少刀-屑界面接触面积;在微通道特性区内,刀-屑界面存在大量微通道,微织构主要功能为连接微通道;在近分离特性区内,刀-屑界面微通道消失,微织构主要功能为存储切削液。刀-屑界面应力分布系数对各特性区长度有影响,应力分布系数减小,近黏结区和微通道区长度增大,而近分离区长度相应减小。

应用SEM精密观测刀具扩散磨损中的元素扩散

概述了金属切削刀具扩散磨损的基本特点及检测手段,并在分析扫描电镜工作原理的基础上探索了用爆炸式快速落刀装置制备刀—屑界面试样,再通过离子减薄技术获取样品,SEM观测相关原子扩散的方法,同时给出了用YT15刀具切45钢时的观测结果。

金属切削中刀具月牙洼磨损模型的研究

刀具的前刀面月牙洼磨损和后刀面磨损在刀具磨损的研究中占据同等地位,但月牙洼磨损轮廓和刀屑交界面上的切削过程变量不易测量等因素,导致真正依据月牙洼磨损测试获取月牙洼磨损模型的研究非常少。基于硬质合金刀具切削低碳钢的月牙洼磨损实验,提出了一个经验磨损模型。该模型综合了黏结磨损和扩散磨损,考虑了刀屑交界面温度和压力对月牙洼磨损的影响。研究结果表明,该模型能够分析并预测相似切削条件下的月牙洼磨损轮廓。

表面织构对刀具主剪切区特性的影响研究

表面织构能明显改善刀具的切削性能,进一步清晰织构刀具的切削机理。将数值仿真及理论解析相结合,研究表面织构对刀具主剪切区特性的影响,分析主剪切区剪切角、温度及切屑形变量参数的变化。结果表明:刀具表面织构影响了刀-屑界面的接触及摩擦特性,增大了刀具主剪切区的剪切角,进而减小了刀具的切削力、刀-屑界面温度及切屑剪切形变量;主剪切区的温度却因单位时间内被切材料的剪切滑移率增大而小幅增加。本研究为清晰织构刀具的切削机理奠定了理论及技术基础。

基于粗糙接触界面微通道模型的切削液用量估算

针对刀-屑界面切削液的用量估算,建立刀-屑界面滑移区数值接触模型,仿真并分析了界面内切削液的渗入及存储,以此为基础估算了切削液的用量,利用金属切削试验对评估结果进行了验证,为进一步丰富和发展MQL切削技术奠定了基础。

铝合金材料切削用织构刀具性能研究

对铝合金材料切削用织构刀具的性能进行了综合对比研究。分析了在切削液条件下微/纳织构刀具的切削效果,并以此为基础对织构刀具干切削铝合金材料时的织构尺度范围进行了重新界定。实验结果表明,切削液条件下刀具表面的微/纳织构均能够改善刀具的切削效果,使刀具的切削力下降,且纳米织构效果好于微米织构;干切削铝合金材料时,刀具表面织构的尺度可扩展至微米级,但当织构宽度超过30μm后,刀具表面织构的效果变差。上述实验结果出现的原因为润滑条件下微米织构不宜存储切削液,而干切削时切屑材料又易于嵌入,恶化了刀具表面的材料黏附现象。

切削SiCp/Al复合材料三相摩擦系数建模与模拟

为解决SiCp/Al复合材料切削力准确预测的问题,本文采用理论建模、有限元模拟和实验研究相结合的方法,研究了SiCp/Al复合材料切削过程中刀-屑接触摩擦状态。考虑基体材料与刀具接触摩擦、Si C颗粒的两体滑动摩擦和Si C颗粒的三体滚动摩擦对SiCp/Al复合材料刀-屑接触状态的影响,提出了SiCp/Al复合材料刀-屑接触三相摩擦系数模型。建立了SiCp/Al复合材料多颗粒随机分布模型,并基于刀-屑接触三相摩擦系数模型进行了SiCp/Al复合材料切削有限元模拟以及实验研究。结果表明:采用基于刀-屑接触三相摩擦系数模型进行SiCp/Al复合材料切削过程模拟,能够较准确地预测SiCp/Al复合材料的去除过程、切屑形成、刀具与颗粒之间的相互作用以及切削力。