微织构车削刀具的优化设计及切削性能研究.doc

微织构车削刀具的优化设计及切削性能研究干切削加工技术符合绿色制造理念,顺应现代制造业可持续发展的趋势。干切削中少了切削液的使用,这对刀具提出了更高的要求。近年来,在切削刀具表面引入微织构是一种常见而有效的方法。合理的表面织构形态具有良好的减磨润滑作用,能有效改善刀具的切削性能并提高刀具的使用寿命。本文利用有限元分析法(FEM)研究了微织构形态对刀具表面应力分布及刀具切削性能影响规律,优化了刀具的微织构结构参数,并通过试验验证了微织构刀具的优良切削性能。主要研究内容如下:(1)设计了四种不同形态的微织构并建立了刀具模型,使用ANSYS有限元软件对刀具施加载荷后得到VonMises应力分布,通过比较应力大小和刀刃上的应力集中状态选出最佳织构形态,为平行于主切削刃方向的条纹状织构MT-1。继续对该形态的织构进行优化,依次探索了织构边缘距离切削刃的距离、织构中心间距、织构宽度、织构深度以及织构截面形状对刀具前刀面应力分布状况的影响。最终得到基于改善刀具前刀面应力分布状况的优化微织构刀具结构:织构形状为MT-1,边缘距离L=100μm、微织构中心间距A=100μm、微织构宽度B=50μm、微织构深度d=25μm,微织构截面形状为V形。(2)在基于改善应力分布而优化的微织构形态及尺寸基础上,对微织构参数进行细化,并设计了织构宽度、织构深度、边缘距离的三因素三水平正交实验。利用ABAQUS有限元法对拥有不同织构尺寸的九组刀具分别进行二维切削仿真,探索了三种因素对刀具切削力和切削温度的影响规律,并得到了优化后的织构尺寸:织构宽度B=25μm、织构深度d=10μm、边缘距离L=50μm。基于该尺寸进行织构面积比(织构宽度不变)的优化,对织构面积比率分别为25%、33.3%、50%、62.5%进行了仿真研究,发现织构面积比为33.3%~50%的刀具性能较好。进一步进行了织构截面形状的对比研究,发现不同面积比下,V形截面织构均比矩形截面织构更有优势。(3)采用激光加工的方法在刀具前刀面上加工了优化后的微织构结构,制备出微织构刀具,并与普通无织构刀具进行了不同切削速度下的对比切削试验。结果发现微织构刀具比无织构刀具主切削力Fc,进给力Ff,切深抗力Fp分别降低了7%~14%,4%~14%和3%~12%,切削温度降低了3%~11%。将切削力和切削温度的试验结果与仿真结果进行了校验,两者结果趋于一致,证明了利用有限元仿真技术进行微织构刀具性能优化的可行性。