仿生微织构拉刀优化设计及实验研究.doc

仿生微织构拉刀优化设计及实验研究拉削工艺因其高效、高精度的加工特性,已在精密制造行业得到广泛应用。拉刀则是一种专门用于拉削加工的刀具。研究表明,在低速重载的加工条件下,拉刀性能是制约拉削加工质量和拉刀使用寿命的关键因素。因此如何在传统的拉削制造领域引入新兴学科的科研成果,有效降低拉削负载和刀具磨损,提高拉削加工性能和刀具使用寿命,对于拉削制造领域有着十分重要的意义。研究发现,合理的仿生表面织构可改善界面摩擦学特性。因此,为减缓拉刀表面磨损和提高刀具使用寿命,本文将仿生学和表面织构技术应用到拉刀表面。首先,依据拉削过程的作用机理,在仿生学中选取了能够合理应用于拉刀表面的仿生形状;随后,建立了流体动力学模型和动态切削模型,综合分析了拉削液的流动特性和拉刀的应力分布特性,得到了最优的仿生织构形状;最后,通过激光加工技术,制备得到仿生微织构拉刀,并进行了拉削负载对比实验、刀具表面形貌及粗糙度观测实验、刀具切削刃压痕实验,验证了仿生微织构拉刀设计的合理性。本文研究内容主要分为以下五个章节。第一章是绪论部分。本章首先介绍了项目背景,随后介绍了刀具优化设计、仿生表面织构技术、织构刀具制备工艺等相关技术的国内外研究现状,最后总结了本文的主要研究内容。第二章是仿生微织构应用原理部分。本章首先分析了部分自然界生物及非生物体表的减磨减阻形状,并阐述其减磨机理;随后分析了拉削过程的作用机理,选取了三种适用于拉刀表面的织构形状;最后通过流体动力学仿真、拉削动态分离仿真和有限元分析,得出最优仿生织构形状,并从应力均布、动压润滑等角度剖析微织构作用机理。第三章是微织构拉刀制备部分。本章首先介绍了物理激光加工设备,并在拉刀后刀面进行压痕实验,为微织构的加工提供依据;随后,研究了各个激光加工参数对拉刀表面织构形状的影响,以得到最优的加工参数;最后利用激光加工技术,在拉刀后刀面开设了织构,并通过高倍快速摄像仪和台阶仪,观测和分析了微织构的表面形貌和能量残留现象。第四章是拉削实验部分。本章首先介绍了拉削实验方案,明确了拉削实验目的,对拉削实验台、拉刀几何参数、拉削实验条件进行了详细介绍;随后基于此目的设计了拉削实验台,对LG612Ya-800型拉床进行改进,使用PTH503通用型压力传感器测量液压缸有杆腔和无杆腔内腔压力,使用加速度传感器测量拉削过程中的拉削加速度,使用快速摄像仪观测拉刀表面磨损形貌。最后绘制拉削负载曲线,采样织构拉刀及加工后工件的显微形貌,从拉削负载、磨损等角度验证了仿生微织构拉刀具有改善拉削性能的作用。第五章是总结与展望。本章回顾了本文研究工作,总结了本研究对仿生微织构拉刀设计的指导意义,并对表面织构技术、仿生学在其他制造业领域的应用提出展望。