多尺度表面织构陶瓷刀具的制备及其切削性能研究

1、多尺度表面织构陶瓷刀具的制备及其切削性能研究本文提出了多尺度表面织构陶瓷刀具的设计概念和设计思路,通过对陶瓷刀具材料表面微织构和纳织构的制备工艺研究,结合固体润滑技术,成功制备出多尺度表面织构陶瓷刀具,系统研究了多尺度表面织构陶瓷刀具的摩擦磨损特性及切削性能,分析并揭示了该刀具的减摩作用机理。分析了采用纳秒激光和飞秒激光在陶瓷刀具材料表面诱导微织构和纳织构的形成机制；同时建立了织构表面与光滑平面接触的静态模型,从理论上分析了表面织构在摩擦接触过程中的减摩机理和表面织构刀具对切削力和切削温度的影响。分析表明,表面织构能够有效地减小实际接触面积,从而减小接触界面的摩擦,降低表面的摩擦接触温度。表面

2、织构刀具能够有效地降低切削过程中的切削力和切削温度。提出了多尺度表面织构陶瓷刀具的设计概念和设计思路,研究了多尺度表面织构陶瓷刀具的制备方法和制备工艺。通过开展纳秒激光和飞秒激光在陶瓷刀具材料表面加工微织构与纳织构的工艺试验,优化得到最佳的微织构和纳织构激光加工工艺参数。采用纳秒激光制备微织构的最彳工艺参数为：泵浦电压为19.5V,扫描速度为5mm/s,重复频率为6kHz,扫描1遍；对应的微织构宽度约为50m,深度约为43叱m采用飞秒激光制备纳织构的最佳的工艺参数为：能量为1.75仙J,扫描速度为500仙m/s,扫描1遍；对应的纳织构周期约为750nnm,深度约为150nm采用最佳激光加工参数

3、同时结合固体润滑技术制备出了多尺度表面织构陶瓷刀具。通过摩擦磨损试验对微织构陶瓷刀具材料表面摩擦磨损特性进行了研究。结果表明,干摩擦条件下,微织构试样(AT)增大了摩擦系数和摩擦温度,但减小了表面的磨粒磨损和粘结。微织构与固体润滑技术协同作用（AT-W）能够有效地减小摩擦系数、摩擦温度和表面的磨损与粘结；与未织构表面试样（AS）相比，其摩擦系数降低了70-80%,摩擦温度降低了40-50%。这主要是由于摩擦作用引起了微织构内部固体润滑剂转移到摩擦接触界面形成润滑膜,从而有效地减小了摩擦,降低了摩擦温度；同时,微织构能够有效地收集磨屑,减少表面的磨粒磨损和粘结。通过摩擦磨损试验对纳织构陶瓷刀具材

4、料表面摩擦磨损特性进行了研究。结果表明,纳织构试样（TS）相比未织构试样（SS）能够有效地减小表面摩擦和粘结，其摩擦系数降低了6-13%。纳织构涂层试样（TCS）减摩效果最为明显，与未织构涂层试样（SCS）和未织构试样（SS）相比,TCS试样摩擦系数分别降低了16-38%和85-93%。分析了TCS试样减摩润滑机理：一方面，纳织构提高了涂层与基体的结合强度,延长了涂层的磨损寿命。另一方面,纳织构能够存储固体润滑涂层,摩擦过程中,纳织构中的润滑涂层在摩擦挤压作用下,有效地转移到摩擦接触界面,形成连续的润滑薄膜,从而减小了摩擦与粘结。研究了未织构陶瓷刀具（AS）、未织构表面涂层陶瓷刀具（AS-L）

5、、纳织构涂层陶瓷刀具（AN-L）和多尺度表面织构涂层陶瓷刀具（AT-L）干切削45淬火钢时的切削性能。结果表明,AT-L刀具能够最有效地改善刀具的切削性能。与AS刀具相比,AT-L刀具三向切削力降低了25-40%,切削温度降低了10-20%；前刀面刀-屑接触区平均摩擦系数降低了17-22%,刀-屑接触长度减小了8-17%,刀-屑接触区平均切应力减小了11-13%,但其刀尖正应力和刀-屑接触区平均正应力增大了7-11%在切削速度为200m/min时,AT-L刀具寿命与AS刀具相比提高了14.7%。揭示了AT-L刀具切削过程中的减摩机理。切削过程中,AT-L刀具能够在刀-屑接触界面形成一层润滑薄膜,从而减小刀-屑接触界面间的摩擦。微纳织构的存在能够有效地减小刀-屑接触长度,降低粘结区长度占总刀-屑接触长度的比例。同时纳织构增加了涂层与基体的结合强度,微织