组合微织构刀具切削性能研究

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表面织构由于其优越的润滑和减摩效果,已逐渐应用于刀具的表面研究。然而在切削加工过程中,织构由于二次切削容易发生粘结失效,导致刀具的切削性能下降。为延长织构的持久性,减少刀面的粘结,进一步提高织构刀具的切削性能,本文通过激光微织构技术在刀具的前刀面,加工圆环(RT)、平行沟槽(PT)、垂直沟槽(VT)以及凹坑(DT)四种不同类型的织构。并根据不同织构的作用机理以及切削区的摩擦状态,在刀具上加工出上下型凹坑-平行沟槽(SXDP)、上下型凹坑-垂直沟槽(SXDV)、左右型凹坑-平行沟槽(ZYDP)及左右型凹坑-垂直沟槽(ZYDV)四种组合织构,并与单一的织构刀具进行性能比较,研究表明ZYDP组合织构刀具的综合切削性能最优。主要研究内容与结论如下:(1)激光微织构工艺试验研究。分别通过控制激光的能量密度、激光作用时间、能量的累积叠加,获得激光输出功率、扫描速度以及扫描次数对织构形貌的影响规律。(2)刀具切削性能的有限元模拟仿真。通过有限元仿真,对单一织构、无织构以及ZYDP组合织构刀具的切削性能进行对比。模拟结果表明:织构的存在,能够提高刀具加工过程的稳定性;除了圆RT刀具,其他微织构刀具均能在一定程度减少刀具的切削力、刀具前刀面的最高切削温度以及最大磨损深度;另外,ZYDP产生的切屑卷曲最为均匀,普通刀具加工的切屑底部最为光滑,且其卷曲半径最大。(3)单一织构刀具切削性能试验研究。随着切削速度的提高,前刀面粘结面积逐渐增大,而切削力和刀屑间的摩擦系数(COF)逐渐减小。除RT刀具外,其他织构刀具的主切削力、刀屑间的摩擦系数和切屑变形程度均低于普通刀具,其中DT刀具的主切削力以及COF分别降低了25-34%和4.41-10.81%;相比普通刀具,织构刀具前刀面的粘结面积分别减少了31.82-38.86%(RT)、42.66-49.05%(VT)、46.92-52.47%(PT)、53.86-59.85%(DT);织构刀具加工的工件表面粗糙度分别降低了3.13-4.59%(VT)、10.69-46.51%(PT)和16.51-19.79%(DT),其中,DT刀具加工的工件表面光洁度最好;另外,普通刀具后刀面出现62μm左右磨损宽度,而织构刀具后刀面均无明显磨损。(4)组合织构的刀具切削性能试验研究。当v=120m/min时,组合织构刀具ZYDP和ZYDV的主切削力,与DT刀具相比,分别下降了6.86%和4.63%,SXDP和SXDV刀具的主切削力几乎和DT刀具持平;除了ZYDP刀具,其它组合织构刀具前刀面的粘结面积,均大于同工况条件下的DT刀具,ZYDP的粘结面积相比DT刀具降低了10.25%;另外,ZYDP织构刀具的切屑厚度变形最小,剪切角最大,更有利于切削进行,且其工件硬化效果最好。本文根据不同织构的作用机理以及切削区的摩擦状态,在前刀面上加工不同的组合织构,表明设置合理的组合织构,能够有效地减少前刀面的粘结磨损,显著提高刀具切削性能。
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