基于硬质合金刀具激光织构的制备及摩擦磨损性能研究

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硬质合金因为其优异的综合性能被普遍应用于制造切削刀具,但在切削加工中,切削刀具表面存在严重摩擦,切削区高切削力、高温条件的作用导致刀具表层发生剧烈磨损,由此降低刀具的切削性能。现如今,表面织构技术作为一种重要手段能够显著地提升刀具的摩擦性能。在刀具上制备出具有随机或规则的微织构阵列,既能够缓解刀具与切屑和工件间的剧烈摩擦,降低磨损率,还可以改善其润湿性能,增强润滑效果。针对硬质合金刀具在切削难加工材料时存在刀具磨损严重和加工表面质量差等问题,本文以硬质合金刀具表面激光织构的制备作为研究基础,主要运用试验研究辅以相关仿真分析,研究了微沟槽织构对硬质合金刀具摩擦磨损性能的作用规律,并揭示了微织构的减摩机理。主要研究内容如下:1.硬质合金刀具表面激光加工微沟槽织构的试验研究。首先研究了激光加工参数(激光功率、扫描速度、脉冲频率、扫描次数)对微沟槽成型质量的影响,并找出形貌成型较好的微沟槽制备参数。最终选择采用激光功率为14 W、扫描速度为150 mm/s、脉冲频率为25 k Hz、扫描次数为4次的工艺参数,在刀具表面上加工出成型较优的微沟槽。2.具有微沟槽的硬质合金刀具表面的干摩擦分析。采用ABAQUS仿真软件对微沟槽刀具的摩擦过程进行建模,分析刀具在发生摩擦后接触应力大小与分布的变化情况。模拟结果表明,刀具表面的微沟槽织构能够增大刀具所承受的等效应力值,而且可以改善刀具表面应力集中分布的现象;研究还得出在槽宽为30μm、槽深为20μm、间距为70~100μm时,微沟槽刀具的接触应力大小与分布状态较佳。3.织构化刀具的摩擦磨损试验研究及减摩作用机理分析。通过制定摩擦磨损试验方案,在改变微沟槽的尺寸参数(槽宽、槽深、间距)和试验条件(法向载荷、往复运动速度)的情况下,研究刀具表面摩擦性能的变化规律,并分析微沟槽的减摩作用过程。研究表明,就摩擦系数而言,微沟槽刀具表面均比无织构刀具表面要小。在施加法向载荷70 N、往复运动速度150 mm/min条件下,微织构宽度为35μm、深度20μm、间距75μm的微织构减摩效果最优。同时在存在润滑时,亲疏混合织构可以增强微沟槽的减摩作用。
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