多尺度表面織構(gòu)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(gòu)陶瓷刀具的設(shè)計概念和設(shè)計思路，通過對陶瓷刀具材料表面微織構(gòu)和納織構(gòu)的制備工藝研究，結(jié)合固體潤滑技術(shù)，成功制備出多尺度表面織構(gòu)陶瓷刀具，系統(tǒng)研究了多尺度表面織構(gòu)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(gòu)和納織構(gòu)的形成機制;同時建立了織構(gòu)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(gòu)在摩擦接觸過程中的減摩機理和表面織構(gòu)

2、刀具對切削力和切削溫度的影響。分析表明，表面織構(gòu)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(gòu)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(gòu)陶瓷刀具的設(shè)計概念和設(shè)計思路，研究了多尺度表面織構(gòu)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(gòu)與納織構(gòu)的工藝試驗，優(yōu)化得到最佳的微織構(gòu)和納織構(gòu)激光加工工藝參數(shù)。采用納秒激光制備微織構(gòu)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(gòu)寬度約為50μm，深度約為43μm。采用飛秒激光制備納織構(gòu)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(gòu)周期約為750nm，深度約為150nm。采用最佳激光加工參數(shù)同時結(jié)合固體潤滑技術(shù)制備出了多尺度表面織構(gòu)陶瓷刀具。
　　通過摩擦磨損試驗對微織構(gòu)陶瓷刀具材料表面摩擦磨損特性進行了研究。結(jié)果表明

4、，干摩擦條件下，微織構(gòu)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(jié)。微織構(gòu)與固體潤滑技術(shù)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(jié);與未織構(gòu)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(gòu)內(nèi)部固體潤滑劑轉(zhuǎn)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(gòu)能夠有效地收集磨屑，減少表面的磨粒磨損和粘結(jié)

5、。
　　通過摩擦磨損試驗對納織構(gòu)陶瓷刀具材料表面摩擦磨損特性進行了研究。結(jié)果表明，納織構(gòu)試樣(TS)相比未織構(gòu)試樣(SS)能夠有效地減小表面摩擦和粘結(jié)，其摩擦系數(shù)降低了6-13％。納織構(gòu)涂層試樣(TCS)減摩效果最為明顯，與未織構(gòu)涂層試樣(SCS)和未織構(gòu)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(gòu)提高了涂層與基體的結(jié)合強度，延長了涂層的磨損壽命。另一方面，

6、納織構(gòu)能夠存儲固體潤滑涂層，摩擦過程中，納織構(gòu)中的潤滑涂層在摩擦擠壓作用下，有效地轉(zhuǎn)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(jié)。
　　研究了未織構(gòu)陶瓷刀具(AS)、未織構(gòu)表面涂層陶瓷刀具(AS-L)、納織構(gòu)涂層陶瓷刀具(AN-L)和多尺度表面織構(gòu)涂層陶瓷刀具(AT-L)干切削45淬火鋼時的切削性能。結(jié)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(gòu)的存