纳米润滑介质下微织构刀具的切削性能研究

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对于钛合金等难加工材料的切削加工,由于刀具与切屑接触表面严重摩擦和挤压,会导致切削力过大,同时会产生大量热量,从而使得刀尖区域的温度过高,进而造成刀具的快速磨损失效,严重限制了材料的加工效率。随着刀具与微织构的结合应用进一步深入,发现能够有效减少摩擦、提高刀具性能,同时在冷却液使用下,则可以有助于将内摩擦转换为外摩擦,改善靠近刀刃位置的区域存在切屑粘结与内摩擦,从而提高冷却效果,降低切削区温度,实现刀具耐用度的提升。因此,本文针对工程界Ti-6Al-4V加工刀具耐用度低的难题,对微织构类型以及参数开展基础的研究工作。主要研究工作包括:(1)设计了直线型、直线交叉型、圆点凹坑型三种不同的表面微织构,使用通用分析软件Ansys Workbench,通过瞬态动力学模块建立了三种不同微织构的面-面相接触Archard摩擦磨损模型,根据其对摩擦磨损过程进行计算分析,结合微织构表面压力、应力以及对摩擦副磨损量,结果表明:微织构的置入会减小摩擦副接触面积从而增大表面压力,同时会在微织构边缘处发生应力集中状态,从而增大了对摩擦副磨损量。(2)在YG8表面加工直线型、直线交叉型、圆点凹坑型三种不同的表面微织构,同时在CTY-B润滑油中分别添加了2%纳米WS2颗粒以及总质量为3%的纳米WS2/Cu颗粒,分别进行摩擦磨损试验。研究显示圆点凹坑织构的置入能够减小摩擦系数,而直线织构与直线交叉织构的反而会增大;同时添加了纳米WS2/Cu的润滑添加剂下摩擦系数减小了3%-7%,对磨球的材料去除也得到了改善。(3)在YG8刀具前刀面加工制备了圆点凹坑织构,同时选择纳米WS2/Cu润滑油添加剂,通过干/微量润滑下正交切削Ti-6Al-4V对比试验,探究干/微量润滑下微织构刀具的减磨规律,发现干切削下,只有在低速下圆点凹坑织构刀具才能改善刀具表面粘结、降低切削力、摩擦系数以及切屑变形厚度;而微量润滑下,圆点凹坑织构的置入能够进一步改善刀具的切削性能,其中DT-100刀具的性能最优。
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