微织构刀具设计制造及切削钛合金性能研究
发布时间：2021-10-21 12:28
钛合金由于其自身优良的力学性能在航天航空等领域应用广泛,但在加工过程中产生的高温、高压以及刀具表面出现的大量粘结现象,导致刀具磨损严重,大幅缩短刀具寿命。为了改善刀具与切屑间的摩擦状态,减缓摩擦界面间的剧烈程度,延长刀具的服役寿命,本文在硬质合金刀具表面加工出三种类型的沟槽织构,并探究了微织构刀具的减摩机理及切削钛合金的性能。主要研究内容如下:（1）硬质合金表面激光织构的制备。首先选择不同的激光参数,重点通过设置激光功率、扫描速度、扫描次数等,研究上述参数对织构尺寸及形貌的影响,并找出最优参数。选择使用激光功率为40 W、扫描速度为100 mm/s、扫描次数为200次的激光加工参数,并在硬质合金刀具的前刀面加工出直线、正弦和菱形沟槽织构。（2）硬质合金表面微织构在干摩擦下的减摩机理分析。通过有限元软件ABAQUS建立微织构硬质合金试样和钛合金试样在干摩擦下的三维模型,对摩擦过程中硬质合金试样和钛合金试样的应力与温度变化进行仿真分析。为进一步研究并对比硬质合金表面微织构存在的重要意义和功能,对无织构硬质合金试样以及三种类型的织构硬质合金试样进行不同摩擦速度、不同载荷下的摩擦磨损实验,重点...
【文章来源】：青岛理工大学山东省
【文章页数】：109 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钛合金的应用：(a)航天飞行器;(b)燃气轮机;(c)核电站;(d)潜艇;航空发动机汽车
青岛理工大学工程硕士学位论文3的一种手段。在硬质合金刀具表面加工出一定特征的微织构可明显改善刀具-工件间的摩擦特性，减缓刀具磨损，延长刀具寿命。现有微织构刀具的研究，主要集中在以下几方面：（1）直线沟槽织构、圆形凹坑织构的性能研究；（2）脂润滑、油润滑下织构的性能研究；（3）切削加工工件选择为铝合金、钢的研究；（4）通过实验探究织构试样性能。本文的创新点在于在刀具表面设计加工出正弦织构和菱形织构，通过数值模拟与实验研究相结合的方法，探究刀具表面微织构在刀具-切屑接触区的抗磨减摩机制及对刀具切削性能的影响作用机理。1.3表面微织构纹理加工技术及应用现状微织构加工技术指的是在微米尺度下，通过物理或化学方法在摩擦副的表面加工出凹坑、沟槽或凸起结构以改变现有表面形貌的技术。根据仿生学的研究，在荷叶表面存在复杂的介于微米-纳米尺度的三维表面织构，使水滴和沾染物与荷叶表面的实际接触面积很小，水在荷叶上形成水滴，实现对污染物的润湿和黏附[14]。此外，通过对蟑螂、鲨鱼、蛇、蚯蚓及壁虎表面进行观测（如图1-2），发现它们表面均呈现出凹凸不平的非规则的形貌。从仿生学原理可知，材料表面并非越光滑摩擦阻力越小，而是当材料表面具有一定纹理结构时具备很好的减摩润滑性能，大自然的各类动植物为科学研究提供了一个很好的借鉴。（a）（b）（c）（d）（e）（f）图1-2生物表面微观形貌:(a)荷叶;(b)蛇;(c)蟑螂;(d)蚯蚓;(e)鲨鱼;(f)壁虎Fig.1-2Micromorphologyofbiologicalsurface:(a)lotusleave;(b)snake;(c)cockroach;(d)earthworm;(e)shark;(f)gecko
析当前研究中所加工出微织构的类型主要有凸起、凹坑和沟槽三种。其中，凸起织构中以圆柱凸起织构、六边形凸起织构为主；凹坑织构中以圆形凹坑织构、半圆形凹坑织构为主；沟槽织构中以直线沟槽织构、椭圆形沟槽织构、三角形沟槽织构、六边形沟槽织构为主。这几种织构目前不少学者已经进行了一些研究。穆谦[15]在聚二甲基硅氧烷表面利用光刻工艺加工出六边形微凸起织构（如图1-3(a)），发现该类型的织构在干摩擦下表现出良好的减摩效果，在油润滑条件下会阻碍润滑膜的形成，增大摩擦系数。贾洪铎[16]设计加工出圆柱形（如图1-3(b)）和密封六边形（如图1-3(c)）微凸起结构，并分析了微凸起织构在不同润滑条件下对聚二甲基硅氧烷材料的表面摩擦学影响，发现凸起织构试样在干燥条件下比在润滑条件下表现出了更大的静摩擦力。郑龙[17]根据东方沙蚺体表鳞片形貌，利用机械加工方法在柱塞材料45钢表面设计加工出六边形织构，研究发现织构试样表现出了较小的摩擦系数，提高了材料的摩擦润滑性能。(a)(b)(c)图1-3不同类型凸起织构Fig.1-3Differentkindsofconvextextures闫萌萌[18]在轴承钢表面加工出面积占有率为5%、10%、15%的半圆型凹坑织构（如图1-4(a)）进行摩擦实验，研究发现面积占有率为15%、间距为162μm的半圆凹坑织构表现出了最小的摩擦系数。Niketh[19]在铣刀表面加工出系列圆形凹坑织构（如图1-4(b)），发现铣刀表面微凹坑织构能够减小刀具-切屑接触长度，并形成微孔润滑效应，提高刀具的铣削性能。刘绪超[11]优化了激光加工工艺，借助超声振动发生器及预热处理的方法，在硬质合金材料表面利用激光技术加工出阶梯状圆形凹坑织构，发现该种激光加工工艺能减小织构内部微裂纹的产生。
【参考文献】：
期刊论文
[1]刀具表面不同角度正弦型沟槽织构的数值模拟与实验研究[J]. 张娜,杨发展,姜芙林. 表面技术. 2019(08)
[2]表面微织构硬质合金对钛合金的三维摩擦仿真分析[J]. 张娜,杨发展,刘绪超,刘国华,孙树峰. 工具技术. 2019(03)
[3]脉冲光纤激光制备聚晶金刚石疏液表面的研究[J]. 崔炜,郝秀清,陈馨雯,肖思浓,李亮. 中国机械工程. 2019(01)
[4]GCr15轴承钢表面的激光凹/凸微织构工艺[J]. 华希俊,张加力,解玄,平国峰,张玲慧,尹必峰. 中国激光. 2019(03)
[5]刀具表面织构对刀-屑界面摩擦学特性的影响[J]. 逄明华,聂永芳,申福猴,马利杰. 表面技术. 2018(11)
[6]表面织构激光加工技术研究现状分析[J]. 张娜,杨发展,刘绪超,刘国华,孙树峰. 工具技术. 2018(11)
[7]表面织构钛合金的干摩擦和全氟聚醚油润滑下的摩擦学性能研究[J]. 孙建芳,李傲松,苏峰华,李助军. 摩擦学学报. 2018(06)
[8]激光织构工艺对铜表面红外激光吸收率的影响[J]. 赵莹,冯爱新,杨海华,程好. 表面技术. 2018(09)
[9]微织构刀具研究现状[J]. 冯新敏,裴泽,胡景姝,计亚坤. 制造技术与机床. 2018(07)
[10]三角沟槽形织构化硬质合金工作表面动压润滑及减摩特性[J]. 鹿重阳,杨学锋,王守仁,王砚军,吴元博,陈海龙. 摩擦学学报. 2018(05)
博士论文
[1]钛合金加工用深亚毫米尺度表面织构刀具结构与参数优化研究[D]. 李宁.华中科技大学 2018
[2]抽油泵柱塞仿生六边形织构表面摩擦和润滑性能研究[D]. 郑龙.吉林大学 2018
[3]多尺度表面织构陶瓷刀具的制备及其切削性能研究[D]. 邢佑强.山东大学 2016
[4]表面织构刀具切削钛合金的基础研究[D]. 苏永生.南京航空航天大学 2015
[5]微织构自润滑与振荡热管自冷却双重效用的干切削刀具的研究[D]. 吴泽.山东大学 2013
[6]表面织构电解加工技术的基础研究与应用[D]. 钱双庆.南京航空航天大学 2011
硕士论文
[1]典型钛合金相变过程中膨胀曲线异常现象研究[D]. 蔡馨.贵州大学 2019
[2]表面阶梯状微织构刀具设计制造及其切削性能研究[D]. 刘绪超.青岛理工大学 2018
[3]亲疏复合织构化PCD刀具表面的减摩性能研究[D]. 崔炜.南京航空航天大学 2018
[4]冲击滑动条件下激光织构化9Cr18表面的摩擦学行为研究[D]. 高雄开.哈尔滨工业大学 2017
[5]表面微织构硬质合金刀具干切削性能研究[D]. 苏闯南.湖南科技大学 2017
[6]透过工业4.0解析“中国制造2025”[D]. 侯晋珊.北京工业大学 2017
[7]胶体掩膜电解加工表面微织构实验研究[D]. 王冠.河南理工大学 2017
[8]Ti6Al4V高速切削过程有限元模拟及切削参数优化[D]. 张建飞.昆明理工大学 2017
[9]微/纳织构化刀具表面的润湿性对减摩性能影响的研究[D]. 宋晓路.南京航空航天大学 2017
[10]微织构刀具的设计与切削性能试验研究[D]. 陈碧冲.北京理工大学 2015
本文编号：3448981
【文章来源】：青岛理工大学山东省
【文章页数】：109 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钛合金的应用：(a)航天飞行器;(b)燃气轮机;(c)核电站;(d)潜艇;航空发动机汽车
青岛理工大学工程硕士学位论文3的一种手段。在硬质合金刀具表面加工出一定特征的微织构可明显改善刀具-工件间的摩擦特性，减缓刀具磨损，延长刀具寿命。现有微织构刀具的研究，主要集中在以下几方面：（1）直线沟槽织构、圆形凹坑织构的性能研究；（2）脂润滑、油润滑下织构的性能研究；（3）切削加工工件选择为铝合金、钢的研究；（4）通过实验探究织构试样性能。本文的创新点在于在刀具表面设计加工出正弦织构和菱形织构，通过数值模拟与实验研究相结合的方法，探究刀具表面微织构在刀具-切屑接触区的抗磨减摩机制及对刀具切削性能的影响作用机理。1.3表面微织构纹理加工技术及应用现状微织构加工技术指的是在微米尺度下，通过物理或化学方法在摩擦副的表面加工出凹坑、沟槽或凸起结构以改变现有表面形貌的技术。根据仿生学的研究，在荷叶表面存在复杂的介于微米-纳米尺度的三维表面织构，使水滴和沾染物与荷叶表面的实际接触面积很小，水在荷叶上形成水滴，实现对污染物的润湿和黏附[14]。此外，通过对蟑螂、鲨鱼、蛇、蚯蚓及壁虎表面进行观测（如图1-2），发现它们表面均呈现出凹凸不平的非规则的形貌。从仿生学原理可知，材料表面并非越光滑摩擦阻力越小，而是当材料表面具有一定纹理结构时具备很好的减摩润滑性能，大自然的各类动植物为科学研究提供了一个很好的借鉴。（a）（b）（c）（d）（e）（f）图1-2生物表面微观形貌:(a)荷叶;(b)蛇;(c)蟑螂;(d)蚯蚓;(e)鲨鱼;(f)壁虎Fig.1-2Micromorphologyofbiologicalsurface:(a)lotusleave;(b)snake;(c)cockroach;(d)earthworm;(e)shark;(f)gecko
析当前研究中所加工出微织构的类型主要有凸起、凹坑和沟槽三种。其中，凸起织构中以圆柱凸起织构、六边形凸起织构为主；凹坑织构中以圆形凹坑织构、半圆形凹坑织构为主；沟槽织构中以直线沟槽织构、椭圆形沟槽织构、三角形沟槽织构、六边形沟槽织构为主。这几种织构目前不少学者已经进行了一些研究。穆谦[15]在聚二甲基硅氧烷表面利用光刻工艺加工出六边形微凸起织构（如图1-3(a)），发现该类型的织构在干摩擦下表现出良好的减摩效果，在油润滑条件下会阻碍润滑膜的形成，增大摩擦系数。贾洪铎[16]设计加工出圆柱形（如图1-3(b)）和密封六边形（如图1-3(c)）微凸起结构，并分析了微凸起织构在不同润滑条件下对聚二甲基硅氧烷材料的表面摩擦学影响，发现凸起织构试样在干燥条件下比在润滑条件下表现出了更大的静摩擦力。郑龙[17]根据东方沙蚺体表鳞片形貌，利用机械加工方法在柱塞材料45钢表面设计加工出六边形织构，研究发现织构试样表现出了较小的摩擦系数，提高了材料的摩擦润滑性能。(a)(b)(c)图1-3不同类型凸起织构Fig.1-3Differentkindsofconvextextures闫萌萌[18]在轴承钢表面加工出面积占有率为5%、10%、15%的半圆型凹坑织构（如图1-4(a)）进行摩擦实验，研究发现面积占有率为15%、间距为162μm的半圆凹坑织构表现出了最小的摩擦系数。Niketh[19]在铣刀表面加工出系列圆形凹坑织构（如图1-4(b)），发现铣刀表面微凹坑织构能够减小刀具-切屑接触长度，并形成微孔润滑效应，提高刀具的铣削性能。刘绪超[11]优化了激光加工工艺，借助超声振动发生器及预热处理的方法，在硬质合金材料表面利用激光技术加工出阶梯状圆形凹坑织构，发现该种激光加工工艺能减小织构内部微裂纹的产生。
【参考文献】：
期刊论文
[1]刀具表面不同角度正弦型沟槽织构的数值模拟与实验研究[J]. 张娜,杨发展,姜芙林. 表面技术. 2019(08)
[2]表面微织构硬质合金对钛合金的三维摩擦仿真分析[J]. 张娜,杨发展,刘绪超,刘国华,孙树峰. 工具技术. 2019(03)
[3]脉冲光纤激光制备聚晶金刚石疏液表面的研究[J]. 崔炜,郝秀清,陈馨雯,肖思浓,李亮. 中国机械工程. 2019(01)
[4]GCr15轴承钢表面的激光凹/凸微织构工艺[J]. 华希俊,张加力,解玄,平国峰,张玲慧,尹必峰. 中国激光. 2019(03)
[5]刀具表面织构对刀-屑界面摩擦学特性的影响[J]. 逄明华,聂永芳,申福猴,马利杰. 表面技术. 2018(11)
[6]表面织构激光加工技术研究现状分析[J]. 张娜,杨发展,刘绪超,刘国华,孙树峰. 工具技术. 2018(11)
[7]表面织构钛合金的干摩擦和全氟聚醚油润滑下的摩擦学性能研究[J]. 孙建芳,李傲松,苏峰华,李助军. 摩擦学学报. 2018(06)
[8]激光织构工艺对铜表面红外激光吸收率的影响[J]. 赵莹,冯爱新,杨海华,程好. 表面技术. 2018(09)
[9]微织构刀具研究现状[J]. 冯新敏,裴泽,胡景姝,计亚坤. 制造技术与机床. 2018(07)
[10]三角沟槽形织构化硬质合金工作表面动压润滑及减摩特性[J]. 鹿重阳,杨学锋,王守仁,王砚军,吴元博,陈海龙. 摩擦学学报. 2018(05)
博士论文
[1]钛合金加工用深亚毫米尺度表面织构刀具结构与参数优化研究[D]. 李宁.华中科技大学 2018
[2]抽油泵柱塞仿生六边形织构表面摩擦和润滑性能研究[D]. 郑龙.吉林大学 2018
[3]多尺度表面织构陶瓷刀具的制备及其切削性能研究[D]. 邢佑强.山东大学 2016
[4]表面织构刀具切削钛合金的基础研究[D]. 苏永生.南京航空航天大学 2015
[5]微织构自润滑与振荡热管自冷却双重效用的干切削刀具的研究[D]. 吴泽.山东大学 2013
[6]表面织构电解加工技术的基础研究与应用[D]. 钱双庆.南京航空航天大学 2011
硕士论文
[1]典型钛合金相变过程中膨胀曲线异常现象研究[D]. 蔡馨.贵州大学 2019
[2]表面阶梯状微织构刀具设计制造及其切削性能研究[D]. 刘绪超.青岛理工大学 2018
[3]亲疏复合织构化PCD刀具表面的减摩性能研究[D]. 崔炜.南京航空航天大学 2018
[4]冲击滑动条件下激光织构化9Cr18表面的摩擦学行为研究[D]. 高雄开.哈尔滨工业大学 2017
[5]表面微织构硬质合金刀具干切削性能研究[D]. 苏闯南.湖南科技大学 2017
[6]透过工业4.0解析“中国制造2025”[D]. 侯晋珊.北京工业大学 2017
[7]胶体掩膜电解加工表面微织构实验研究[D]. 王冠.河南理工大学 2017
[8]Ti6Al4V高速切削过程有限元模拟及切削参数优化[D]. 张建飞.昆明理工大学 2017
[9]微/纳织构化刀具表面的润湿性对减摩性能影响的研究[D]. 宋晓路.南京航空航天大学 2017
[10]微织构刀具的设计与切削性能试验研究[D]. 陈碧冲.北京理工大学 2015
本文编号：3448981
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