多尺度表面織構(gòu)陶瓷刀具的制備及其切削性能研究

1、多尺度表面織構(gòu)陶瓷刀具的制備及其切削性能研究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(dǎo)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)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

2、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)的最彳工藝參數(shù)為：泵浦電壓為19.5V,掃描速度為5mm/s,重復(fù)頻率為6kHz,掃描1遍；對應(yīng)的微織構(gòu)寬度約為50m,深度約為43叱m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1.75仙J,掃描速度為500仙m/s,掃描1遍；對應(yīng)的納織構(gòu)周期約為750nnm,深度約為150nm采用最佳激光加工參數(shù)

3、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,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)。通過摩擦磨損試驗對納織構(gòu)陶瓷刀具材

4、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,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）

5、、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(yīng)力減小了11-13%,但其刀尖正應(yīng)力和刀-屑接觸區(qū)平均正應(yīng)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)的存在能夠有效地減小刀-屑接觸長度,降低粘結(jié)區(qū)長度占總刀-屑接觸長度的比例。同時納織構(gòu)增加了涂層與基體的結(jié)合強度,微織