粗糙表面接触界面流体渗入机制及刀-屑界面摩擦调控

发布时间：2020-04-20 05:30

【摘要】：金属切削加工是机械制造业的主导加工方法,在切削加工中仅有30-50%的能量被有效利用,其它的能量则被损耗,其中刀-屑界面摩擦是切削能量损耗的主要因素之一,减小刀-屑界面摩擦成为实现高效、绿色切削的关键。实际刀具切削过程中,刀-屑界面摩擦与切削参数、刀具表面形貌、界面接触力学行为及流体渗入等因素相互耦合,构成了一个复杂的非线性系统。在此系统中刀具表面形貌影响刀-屑界面切削液的渗入、润滑效应及界面接触力学行为,进而影响刀-屑界面摩擦。为此本文从粗糙表面接触界面流体的渗入着手,研究了界面间流体的渗入机制,表面织构类型、表面形貌参数及流体润湿性与界面摩擦的关联,并以此研究为基础通过刀具表面形貌设计调控了刀-屑界面摩擦,为高效、绿色切削技术的发展奠定了理论基础。基于粗糙表面理论及刀-屑界面接触力学行为,建立了刀-屑界面滑移区数值仿真模型,研究了界面内流体的渗入机制及刀具表面织构的作用机理。明确了粗糙表面接触界面内流体的渗入途径,刀具表面织构参数与界面内空体集团数量的关联,阐明了界面接触力学行为及表面织构参数对界面内流体渗入及存储的影响。利用原位观测并结合数值仿真研究了界面接触力学行为下粗糙表面接触界面的演化、界面内流体的润湿铺展路径、铺展面积比及锥形微通道内流体的自输运机制。得出了粗糙表面接触界面法向应力与真实接触面积比的关联规律,分析了微通道尺寸与固-液界面润湿性对粗糙表面接触界面流体铺展路径及面积比的影响;量化了锥形微通道几何参数及固-液界面润湿性与流体自输运机制的关联。利用实验方法研究了切削液润滑工况下硬质合金表面织构、界面接触压力及流体润湿性对界面摩擦的影响,明确了表面织构类型、表面形貌参数及流体润湿性与界面摩擦的关联机制。最后,基于微通道几何参数、固-液界面润湿性与流体自输运机制的关联研究,以及粗糙表面接触界面流体渗入机制、润滑效应与界面摩擦的耦合影响机制研究。通过刀具表面形貌设计,在刀-屑界面形成微通道,改善了刀-屑界面切削液的渗入存储及润滑效应,进而调控了刀-屑界面摩擦,并利用金属切削试验给予了验证。
【图文】：

表面形貌,金属切削加工,界面摩擦,摩擦学特性

合肥工业大学博士研究生学位论文面织构类型、表面形貌参数及流体润湿性与界面润滑、摩擦的关联，并以上述为基础，针对实际的刀具切削过程，通过刀具表面形貌设计实现刀-屑界面润摩擦的调控。.2 国内外研究现状.2.1 刀-屑界面接触及摩擦学特性金属切削过程中，被切材料是在刀具的作用下形成切屑[1,2]，为此，刀-屑界接触及摩擦学特性直接影响主剪切区的变形、切削温度、刀具表面磨损及工件加工质量。

接触特性,界面

1 绪论是粘结区和滑移区，从而近一步验证了刀-屑界面两区模型。至此，刀-屑模型被学者们接受，然而其内部机理仍需近一步研究。1988 年，Trent[4分析发现，，刀具切削过程中，刀-屑界面的高应力、大应变、强化学活性面粘结的原因。Grzesik[42]认为金属切削过程中的温度和弹塑性变形是刀结的原因，并采用分子力学理论来评价粘结强度。Haron 等[43]通过研究发度及温度对刀-屑界面粘结存在影响，随着切削速度的提高，刀-屑界面温界面粘结加重。上述分析表明刀-屑界面间的高温、高压、高化学活性及形是界面内材料产生粘结的主要原因，滑移区远离切削刃，该区的温度、化学活性及塑性变形均大大降低，界面内材料很难粘结。
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG501

【参考文献】