多尺度表面織構陶瓷刀具的制備及其切削性能研究.pdf

1、本文提出了多尺度表面織構陶瓷刀具的設計概念和設計思路，通過對陶瓷刀具材料表面微織構和納織構的制備工藝研究，結合固體潤滑技術，成功制備出多尺度表面織構陶瓷刀具，系統(tǒng)研究了多尺度表面織構陶瓷刀具的摩擦磨損特性及切削性能，分析并揭示了該刀具的減摩作用機理。
　　分析了采用納秒激光和飛秒激光在陶瓷刀具材料表面誘導微織構和納織構的形成機制;同時建立了織構表面與光滑平面接觸的靜態(tài)模型，從理論上分析了表面織構在摩擦接觸過程中的減摩機理和表面織構

2、刀具對切削力和切削溫度的影響。分析表明，表面織構能夠有效地減小實際接觸面積，從而減小接觸界面的摩擦，降低表面的摩擦接觸溫度。表面織構刀具能夠有效地降低切削過程中的切削力和切削溫度。
　　提出了多尺度表面織構陶瓷刀具的設計概念和設計思路，研究了多尺度表面織構陶瓷刀具的制備方法和制備工藝。通過開展納秒激光和飛秒激光在陶瓷刀具材料表面加工微織構與納織構的工藝試驗，優(yōu)化得到最佳的微織構和納織構激光加工工藝參數(shù)。采用納秒激光制備微織構的最佳

3、工藝參數(shù)為:泵浦電壓為19.5V，掃描速度為5mm/s，重復頻率為6kHz，掃描1遍;對應的微織構寬度約為50μm，深度約為43μm。采用飛秒激光制備納織構的最佳的工藝參數(shù)為:能量為1.75μJ，掃描速度為500μm/s，掃描1遍;對應的納織構周期約為750nm，深度約為150nm。采用最佳激光加工參數(shù)同時結合固體潤滑技術制備出了多尺度表面織構陶瓷刀具。
　　通過摩擦磨損試驗對微織構陶瓷刀具材料表面摩擦磨損特性進行了研究。結果表明

4、，干摩擦條件下，微織構試樣(AT)增大了摩擦系數(shù)和摩擦溫度，但減小了表面的磨粒磨損和粘結。微織構與固體潤滑技術協(xié)同作用(AT-W)能夠有效地減小摩擦系數(shù)、摩擦溫度和表面的磨損與粘結;與未織構表面試樣(AS)相比，其摩擦系數(shù)降低了70-80％，摩擦溫度降低了40-50％。這主要是由于摩擦作用引起了微織構內(nèi)部固體潤滑劑轉移到摩擦接觸界面形成潤滑膜，從而有效地減小了摩擦，降低了摩擦溫度;同時，微織構能夠有效地收集磨屑，減少表面的磨粒磨損和粘結

5、。
　　通過摩擦磨損試驗對納織構陶瓷刀具材料表面摩擦磨損特性進行了研究。結果表明，納織構試樣(TS)相比未織構試樣(SS)能夠有效地減小表面摩擦和粘結，其摩擦系數(shù)降低了6-13％。納織構涂層試樣(TCS)減摩效果最為明顯，與未織構涂層試樣(SCS)和未織構試樣(SS)相比，TCS試樣摩擦系數(shù)分別降低了16-38％和85-93％。分析了TCS試樣減摩潤滑機理:一方面，納織構提高了涂層與基體的結合強度，延長了涂層的磨損壽命。另一方面，

6、納織構能夠存儲固體潤滑涂層，摩擦過程中，納織構中的潤滑涂層在摩擦擠壓作用下，有效地轉移到摩擦接觸界面，形成連續(xù)的潤滑薄膜，從而減小了摩擦與粘結。
　　研究了未織構陶瓷刀具(AS)、未織構表面涂層陶瓷刀具(AS-L)、納織構涂層陶瓷刀具(AN-L)和多尺度表面織構涂層陶瓷刀具(AT-L)干切削45淬火鋼時的切削性能。結果表明，AT-L刀具能夠最有效地改善刀具的切削性能。與AS刀具相比，AT-L刀具三向切削力降低了25-40％，切削溫

7、度降低了10-20％;前刀面刀-屑接觸區(qū)平均摩擦系數(shù)降低了17-22％，刀-屑接觸長度減小了8-17％，刀-屑接觸區(qū)平均切應力減小了11-13％，但其刀尖正應力和刀-屑接觸區(qū)平均正應力增大了7-11％。在切削速度為200m/min時，AT-L刀具壽命與AS刀具相比提高了14.7％。
　　揭示了AT-L刀具切削過程中的減摩機理。切削過程中，AT-L刀具能夠在刀-屑接觸界面形成一層潤滑薄膜，從而減小刀-屑接觸界面間的摩擦。微納織構的存