高速切削刀具表面自组织结构减摩特性及其对加工表面完整性影响研究

The cutting efficiency and machining quality of difficult-to-machine materials are valued in the industries of aerospace, energy, automotive and so on. The research on tool antifriction properties in high speed cutting is the important basis for improving the cutting efficiency and machining quality. Aiming at difficult-to-machine materials, such as high strength steel which is widely used in aircraft landing gears, a thermal-mechanical-chemical multi-field coupling model for high speed machining is established. The formation conditions and longtime effective cutting conditions of self-organization structure on the tool surfaces are studied in the high speed cutting of high strength steel, and the antifriction properties of the self-organization structure are revealed. According to the thermodynamic theory, the failure evolution mechanisms of the self-organization structure are researched, and a tool wear rate model is built to predict tool life based on the tribology theory and fractal theory. The effect of antifriction properties of the self-organization structure on the machined surface integrity is researched to reveal the formation mechanisms of the machined surface. According to computer graphics, the relationship between fractal parameters of the machined surface and cutting parameters is established to assess the machined surface morphology. Under the high-speed self-organization cutting conditions, the cutting parameters are optimized by response surface method. The research on the antifriction properties of the self-organization structure and their influence on the machined surface integrity have important theoretical and practical significances for improving tool life and machining quality, which can also play a catalytic role in the realization of green machining.

航空航天、能源、汽车等行业各种难加工材料的切削效率和加工质量越来越受到重视，而对高速切削刀具减摩特性的研究是实现高效高质量加工的重要依据。本项目针对飞机起落架上广泛应用的难加工材料高强度钢，建立高速切削过程热－力－化学多场耦合模型，研究高速切削刀具表面自组织结构生成及长时间有效切削的条件，揭示刀具表面自组织结构的减摩特性。基于热力学理论，研究刀具表面自组织结构的失效演变机理，并根据摩擦学理论和分形理论，建立刀具磨损速率模型，预报刀具寿命。研究刀具自组织结构减摩特性对加工表面完整性的影响，揭示自组织结构切削加工表面形成机理，借助计算机图形学，建立加工表面分形参数与切削参数的关系，实现对加工表面形貌特征的评定，并利用响应曲面法进行切削参数优化。针对刀具表面自组织结构减摩特性及其对加工表面完整性影响的研究，对提高刀具寿命和加工质量具有重要的理论和实际意义，对实现绿色加工起到积极的推进作用。

保证质量、提高效率、降低成本、节能减排是当今世界制造业发展的趋势，而对高速切削刀具减摩特性的阐明是实现航空航天、能源、汽车等行业各种难加工材料高效高质量加工的重要依据。. 本项目主要对高速切削刀具表面自组织结构特征、生成条件及减摩特性、高速切削刀具磨损表面分形特征及磨损速率、自组织结构减摩特性对加工表面完整性影响等方面进行了研究。. 本项目得到的重要结果如下：建立了高速切削过程热－力－化学多场耦合模型，优选出了分别适于高速车削、铣削高强钢的Al2O3/TiCN涂层刀具、TiAlN+TiN复合涂层刀具；通过刀-工、刀-屑表面摩擦接触状态的研究，获得刀具表面自组织结构生成并长时间有效的条件为：（车削）主切削力Fc=60~180 N、切削温度θ=320~600 ℃，vc=300~500 m/min、f=0.15~0.20 mm/r、ap=0.15~0.20 mm ，（铣削）轴向力Fz=210~400 N、切削温度θ=350~630 ℃，vc=350~450 m/min、fz=0.03~0.06 mm/z、ap=0.2~0.4 mm、ae=3~4 mm；揭示了刀具表面自组织结构减摩特性：切削初期是自组织结构形成的初始阶段，在稳定磨损阶段形成均匀的次生粘结层和氧化物薄膜层，起到隔热、润滑、减摩的作用，从而使刀具磨损降低，增加刀具寿命。探讨了刀具磨损表面的分形特征，并对刀具磨损速率进行了研究。对加工表面的性能及结构进行了分析，阐明了刀具表面自组织结构减摩特性对加工表面完整性的影响规律，揭示了加工表面形成机理：加工表面微观结构中存在孪晶、位错等特征，有助于控制加工表面塑性变形，使表层晶粒被拉长，获得适宜的加工硬化层和表面压应力；刀具表面自组织结构的稳定存在，能够降低加工表面粗糙度，降低工件表层硬化程度，获得表面残余压应力。构建了加工表面分形参数与切削参数的相关性，实现了对加工表面形貌特征的评定，并进行了切削参数优化。. 本项目研究成果对高速切削过程中减小摩擦、提高加工表面完整性、提高刀具寿命、降低加工成本等具有重要的理论指导意义，符合绿色制造和可持续发展理念，可促进节能减排，还为高性能涂层刀具设计提供新的途径，具有普遍的科学意义和工程应用价值。