（机械制造及其自动化专业论文）微池自润滑刀具的研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt ot h ef a c u l t yo fg r a d u a t es c h o o lo f s h a n d o n gu n i v e r s i t yf o rt h ed e g r e eo fd o c t o ro fp h i l o s o p h y s t u d yo nm i c r o p o o ls e l f _ l u b r i c a t i n gc u t t i n gt o o l s c a n d i d a t e ：s o n gw e n l o n g s u p e r v i s o r ：p r o f d e n gj i a n x i n s p e c i a l t y ：m a n u f a c t u r i n ga n d a u t o m a t i o n s h a n d o n gu n i v e r s i t y a p r i l ，2 0 1 0 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：碰日 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他 复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：碰 导师签名： i一 目录 目录 摘要 a 1 3 s t r a c t x i 第1 章绪论1 1 1 本课题研究的目的与意义1 1 2 国内外研究概况2 1 2 1 切削加工润滑方式的研究现状2 1 2 2 硬质合金微孔的电火花加工现状9 1 2 3 微孔表面的摩擦性能研究现状l o 1 2 4 固体润滑剂的研究现状1 4 1 3 本课题主要研究内容15 1 3 1 课题的提出1 5 1 3 2 课题主要研究内容1 6 第2 章微池自润滑刀具概念的提出及其设计模型1 7 2 1 固体润滑原理1 7 2 1 1 固体润滑的特点1 7 2 1 2 摩擦的原子模型1 9 2 1 3 切削加工润滑原理2 1 2 2 微池自润滑刀具的概念及设计思路2 2 2 3 微池自润滑刀具的设计模型2 3 2 4 微池自润滑刀具的切削理论分析2 5 2 4 1 微池自润滑刀具的切削力理论分析2 5 2 4 2 微池自润滑刀具的切削温度理论分析2 9 2 5 本章小结3 2 第3 章微池自润滑刀具的结构设计3 3 3 1 微池自润滑刀具微孔位置的确定3 3 3 1 1 直角切削时微孔位置的确定3 3 3 1 2 斜角切削时微孔位置的确定3 4 3 2 微池自润滑刀具微孔结构参数的确定3 6 山东大学博十学位论文 3 2 1 有限元模型的建立3 6 3 2 2 微池自润滑刀具微孔结构参数的确定3 8 3 3 本章小节4 8 第4 章微池自润滑刀具的制备4 9 4 1 微池自润滑刀具制备方法的选择4 9 4 2 微池自润滑刀具微孔的微细电火花加工5 0 4 2 1 微细电火花加工原理及试验方法51 4 2 3 微池自润滑刀具微孔的微细电火花加工5 3 4 3 本章小结6 7 第5 章微池自润滑刀具试样的摩擦磨损特性研究6 9 5 1 试验方法6 9 5 1 1 试验设备6 9 5 1 2 试样制备6 9 5 1 3 磨损率的测定7 0 5 2 微池自润滑刀具试样的摩擦磨损特性7 2 5 2 1m p m s 微池自润滑刀具试样的摩擦磨损特性7 2 5 2 2 不同微孔结构参数的微池自润滑刀具试样摩擦磨损特性7 4 5 2 3 填充不同固体润滑剂的微池自润滑刀具试样摩擦磨损特性7 7 5 2 4 微池自润滑刀具试样的润滑机理7 8 5 3 本章小结8 1 第6 章微池自润滑刀具的切削性能研究8 3 6 1 试验方法8 3 6 1 1 试验设备8 3 6 1 2 试样制备8 5 6 2 微池自润滑刀具的切削性能8 8 6 2 1 微池自润滑刀具的切削性能8 8 6 2 2 不同孔数的微池自润滑刀具的切削性能9 l 6 2 3 不同孔中心距主切削刃的距离l 的微池自润滑刀具切削性能9 2 6 2 4 填充不同固体润滑剂的微池自润滑刀具的切削性能9 3 6 3 刀具磨损形貌9 5 l i 目录 6 3 1 前刀面磨损形貌9 5 6 3 2 不同孔数的微池自润滑刀具磨损形貌9 8 6 3 3 不同距离三l 的微池自润滑刀具磨损形貌9 9 6 3 4 填充不同固体润滑剂的微池自润滑刀具磨损形貌1 0 1 6 4 微池自润滑刀具的润滑机理10 4 6 5 本章小结10 6 第7 章结论10 7 参考文献113 致谢1 2 3 攻读博士学位期间发表的论文及获得的奖励1 2 5 英文论文113 2 9 i l l 山东大学博十学位论文 t a b l eo fc o n t e n t s i i i i ii i 曼 t a b l eo fc o n t e n t s a b s t r a c t i x c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c ho b j e c t i v e sa n ds i g n i f i c a n c e 1 1 2s t a t e - o f - a r t 2 1 2 1s t a t eo f l u b r i c a t i n gm e t h o d si nc u t t i n gp r o c e s s e s 2 1 2 2s t a t eo f e d mo nc e m e n t e dc a r b i d e 9 1 2 3s t a t eo f w e a rp r o p e r t i e so f s u r f a c ew i t hm i c r o h o l e s 1 0 1 2 4s t a t eo f s o l i dl u b r i c a n t s 1z l 1 3m a i nc o n t e n t so f t h es u b j e c t 15 1 3 1p u r p o s eo f t h es u b j e c t 1 5 1 3 2m a i nc o n t e n t s 16 c h a p t e r 2c o n c e p t e sa n dd e s i g nm o d e l so fm i c r o - p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l s 17 2 1s o l i dl u b r i c a t i n gm e c h a n i s m 1 7 2 i 1p r o p e r t i e so fs o l i dl u b r i c a t i n g 17 2 1 2a t o m i cm o d e lo ff r i c t i o n 19 2 1 3c u t t i n gl u b r i c a t i n gm e c h a n i s m s 2 1 2 2c o n c e p ta n dd e s i g ni d e ao f m i c r o - p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l s 2 2 2 3d e s i g ni d e ao f m i c r o - p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l s 2 3 2 4c u t t i n gt h e o r ya n a l y s i so f m i c r o - p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l s 2 5 2 4 1c u t t i n gf o r c e st h e o r ya n a l y s i so fm i c r o - p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l s 2 5 2 4 2c u t t i n gt e m p e r a t u r ea n a l y s i so fm i c r o - p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l s 。2 9 2 5s u m m a r y 3 2 c h a p t e r 3s t r u c t u r ed e s i g no fm i c r o - p o o ls e i f - l u b r i c a t i n gt o o l s 3 3 3 1r e s e a r c ho nm i c r o - h o l e so f m i c r o - p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l s 3 3 3 1 1m i c r o h o l e sp o s i t i o ni no r t h o g o n a lc u t t i n g 3 3 3 1 2m i c r o - h o l e sp o s i t i o ni no b l i q u ec u t t i n g 3 4 3 2m i c r o - h o l e ss t r u c t u r ep a r a m e t e r so f m i c r o - p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l s 3 6 v 山东大学博士学位论文 3 2 1f i n i t ee l e m e n tm e h t o dm o d e l i n g 3 6 3 2 2s t r u c t u r ep a r a m e t e r so f m i c r o p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l s 3 8 3 3s u m m a r y 4 8 c h a p t e r 4p r e p a r a t i o no fm i c r o - p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l s 4 9 4 1p r e p a r a t i o nm e t h o d so f m i c r o - p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l s 4 9 4 2m i c r o e d mo f m i c r o - p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l s 5 0 4 2 1e x p e r i m e n tp r i n c i p l ea n dc o n d i t i o n 5 1 4 2 3m i c r o e d mo f m i c r o - p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l s m i c r o h o l e s 5 3 4 3s u m m a r y 6 1 c h a p t e r5r e s e a r c ho nf r i c t i o na n d w e a rp r o p e r t i e so fm i c r o - p o o lt o o l s 6 9 5 1e x p e r i m e n tc o n d i t i o n s 6 9 5 1 1e x p e r i m e n te q u i p m e n t 。6 9 5 1 2s a m p l e sp r e p a r a t i o n 6 9 5 1 3w e a rr a t et e s t i n g 7 0 5 2f r i c t i o na n d w e a rp r o p e r t i e so f m i c r o - p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l s 7 2 5 2 1f r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e so f m i c r o - p o o lt o o l ss a m p l e sm p - m s 7 2 5 2 2f r i c t i o na n dw e a rp r o p e r t i e so f m i c r o - p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l s s a m p l e sm p m sw i t hd i f f e r e n ts t r u c t r u ep a r a m e t e r s 7 4 5 2 4l u b r i c a t i n gm e c h a n i s mo f m i c r o - p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l ss a m p l e s 7 8 5 3s u m m a r y 81 c h a p t e r 6r e s e a r c ho nc u t t i n gp e r f o r m a n c eo fm i c r o - p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l s 8 3 6 1e x p e r i m e n tc o n d i t i o n s 8 3 6 1 1e x p e r i m e n te q u i p m e n t 8 3 6 1 2s a m p l e sp r e p a r a t i o n 8 5 6 2c u t t i n gp e r f o r m a n c eo f m i c r o - p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l s 8 8 6 2 1c u r i n gp e r f o r m a n c eo f m i c r o - p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l s “8 8 6 2 2c u t t i n gp e r f o r m a n c eo f m i c r o p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l sw i t h d i f f e r e n tm i c r o h o l e s 9 1 6 2 3c u t t i n gp e r f o r m a n c eo f m i c r o - p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l sw i t h d i f f e r e n td i s t a n c el l 9 2 v l t a b l eo fc o n t e n t s 6 2 4c u t t i n gp e r f o r m a n c eo f m i c r o p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l sw i t h d i f f e r e n ts o l i dl u b r i c a n t s 9 3 6 3w e a rc h a r a c t e r so f m i c r o p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l s 9 5 6 3 1w e a rc h a r a c t e r so f m i c r o p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l s 9 5 6 3 2w e a rc h a r a c t e r so f m i c r o p o o lt o o l sw i t hd i f f e r e n tm i c r o - h o l e s 。9 8 6 3 3w e a rc h a r a c t e r so fm i c r o - p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l sw i t hd i f f e r e n t d i s t a n c el l 9 9 6 3 4w e a rc h a r a c t e r so f m i c r o - p o o lt o o l sw i t hd i f f e r e n ts o l i dl u b r i c a n t s 。9 1 6 4l u b r i c a t i n gm e c h a n i s mo f m i c r o - p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l s 9 4 6 5s u m m a r y 10 6 c h a p t e r7 c o n c l u s i o n s 10 7 r e f e r e n c e 1 13 a e k n o w l d e g e 1 2 3 p u b l i s h e dp a p e r sa n da w a r d s 1 2 5 p a p e r si ne n g l i s h 1 2 9 v n 山东大学博十学位论文 摘要 微池自润滑刀具的研究 摘要 本文根据干切削刀具的摩擦磨损特性、微孔表面结构以及固体润滑材料的优 异摩擦性能，基于微池润滑的技术思想，结合干切削刀具技术、刀具结构设计、 固体润滑技术和摩擦学知识，提出微池自润滑刀具的设计理论和制备方法，研制 开发具有减摩润滑作用的新型微池自润滑干切削刀具，并探索其减摩润滑机理。 通过对固体润滑技术及切削加- r 润滑机理的分析，提出了微池自润滑刀具的 概念，即：在刀具表面的刀具切屑、刀具工件接触部位设计加工一定形状和尺 寸的微孔，并在其中填充固体润滑剂，在切削过程中微孔中的固体润滑剂受热膨 胀以及切屑的摩擦挤压作用在刀具表面拖覆形成固体润滑膜，使摩擦发生在润滑 膜内部，产生“微池润滑”效应，从而实现刀具的自润滑。根据干切削刀具的摩 擦磨损特点，提出了微池自润滑刀具的设计思路。 建立了微池自润滑自润滑刀具的切削力和切削温度模型，研究了微池自润滑 刀具的切削力和切削温度理论。分析表明：切削力和切削温度与刀具前刀面摩擦 副平均剪切强度和刀屑接触长度f 变化趋势相同。降低刀具前刀面平均剪切强 度或刀屑接触长度i f ，均可有效降低切削过程中的切削力和切削温度。 进行了微池自润滑刀具的结构设计。确定了不同切削状态下的微孔分布位置， 结合微孔结构参数对微池自润滑刀具应力分布状态的影响及作用规律，得出了最 佳的微孔形状及结构尺寸：孔形为圆孔，孔数n 为4 ，孔径为鳓1 5 0 0 2m m ， 孔中心距主、副切削刃的距离l 、厶以及孔间距3 都约为0 3m m ，孔深h 为o 3 0 i i l n ，孔偏心距厶取为0 0 5l l l n 。 通过对微池自润滑刀具的制备方法进行分析，选择微细电火花加工方法进行 微池自润滑刀具的微孔加工。微细电火花加工试验表明，在加工电压为1 2 5v 、 电容为4 4 5n f 时，能够加工出满足微池自润滑刀具要求的微孔，同时分析了微 细电火花加工参数( 电压和电容) 对微孔加工质量的影响及作用规律。 为考察微池自润滑刀具的摩擦磨损特性，对制备的具有相同结构的微池自润 滑刀具试样进行了摩擦磨损试验，分析了微孔结构参数、固体润滑剂等因素对微 本文得到泰山学者专项基金和山东省杰出青年基余_ ( j q 2 0 0 9 1 7 ) 的资助 l x 对制备的不同型号的微池自润滑刀具以及y t l 4 传统刀具进行了切削4 5 号钢 的对比试验。试验表明，与传统y t l 4 刀具相比，m p r 一4 m s 刀具和m p r 4 m h 微池自润滑刀具的切削力、切削温度以及前刀面平均摩擦系数显著降低， m p r 4 m s 刀具的前刀面耐磨性最好，m p f 一4 m s 刀具的后刀面耐磨性最好。试验 同时表明，微孔结构对刀具的切削性能有影响。靠近刀尖及主切削刃的孔对微池 自润滑刀具切削性能的影响较大，离刀尖较远的孔对自润滑刀具切削性能影响较 小。填充不同固体润滑剂的微池自润滑刀具的切削性能明显不同，且所适用的切 削速度范围存在差异：切削速度小于1 0 0m m i n 时，刀具m p r 4 m s 的切削性能 最好；切削速度高于1 0 0m m i n 时，m p r - 4 c f 刀具的切削力显著降低；刀具 m p r 4 c 受切削速度的影响最小，显示了较稳定的切削性能。在切削速度高于2 2 0 m m i n 时，切屑易堵塞微孑l ，微池刀具将无法实现自润滑，因此微池自润滑刀具 适合的切削速度范围低于2 0 0m m i n 。 分析了微池自润滑刀具的减摩润滑机理，在切削过程中，微池自润滑刀具微 孔中的固体润滑剂受热膨胀以及切屑的摩擦挤压作用，拖覆在刀具表面，形成固 体润滑膜，固体润滑膜具有较低的剪切强度，能够减小前刀面平均剪切强度， 从而降低前刀面的平均摩擦系数，降低切削力和切削温度；其次微池自润滑刀具 前刀面微孔的存在能够减小刀屑接触长度如同样减小切削力和切削温度。其中 前者起主要作用。 关键词：切削加工，切削刀具，干切削，微池自润滑，磨损机理 x a b s t r a ( 了r s t u d yo nm i c r o p o o ls e l f l u b r i c a t i n gc u t t i n g t o o l s a b s t r a c t m i c r o - p o o ls e l f - l u b r i c a t i n g t o o l sw e r ed e s i g n e da n d d e v e l o p e d b a s e do n m i c r o p o o l l u b r i c a t i n gi d e a , e x c e l l e n tt f i b o l o g i c a lp r o p e r t i e so f s o l i dl u b r i c a t i n g m a t e r i a l s ，t h et r i b o l o g i c a lb e h a v i o r sa n dw e a rm e c h a n i s m so fd r yc u t t i n gt o o l s t h e l u b r i c a t i n gm e c h a n i s mo fm i c r o - p o o ll u b r i c a t i n gt o o l sw e r ed e t a i l e ds t u d i e da sw e l la s i t sp r e p a r a t i o nm e t h o d sa n dd e s i g nt h e o r y t h ec o n c e p ta n dd e s i g ni d e a so ft h em i c r o - p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o lw a sp r o p o s e d b a s e do i lt h ea n a l y s i so fs o l i dl u b r i c a n t i n gt e c h n o l o g ya n dc u t t i n gl u b r i c a n t i n g m e c h a n i s m m i c r o - h o l e sw e r em a d eo nt h er a k ef a c eo rt h ef l a n kf a ，c eo ft o o li n s e r t s s o l i dl u b r i c a n t sw e r ee m b e d d e di n t o t h em i c r o - h o l e st of o r m m i c r o - p o o l s e l f - l u b r i c a t i n gc u t t i n gt 0 0 1 d u r i n gc u t t i n gp r o c e s s e s ，t h ec h i ps l i d e sa g a i n s tt h et o o l r a k ef a c ea tah i g hs p e e d ，a n di n d u c e sh i g hc u t t i n gt e m p e r a t u r e u n d e rh i g l lc u r i n g t e m p e r a t u r ea n dc h i pf r i c t i o n ，t h e s o l i dl u b r i c a n t sm a yb er e l e a s e df r o mt h e m i c r o - h o l e s ，s m e a r e do nt h et o o lf a c e t h e nat h i nl u b r i c a t i n gf i l mm a yc r e a t eo nt h e t o o lf a c ew h i c ha c h i e v et h em i c r o - p o o ll u b r i c a t i n ga n dr e d u c et h et o o lw e a r t h e d e s i g n e dm o d e l so fm i c r o p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gc u t t i n gt o o lw e r ee s t a b l i s h e du n d e rt h e a n a l y s i so ft r i b o l o g i c a lb e h a v i o r sa n dw e a rm e c h a n i s m so fd r yc u t t i n gt o o l s t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) m o d e l i n gf o ra n a l y s i so fc u t t i n gt e m p e r a t u r e a n dc u t t i n gf o r c e sd i s t r i b u t i o no f m i c r o - p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o lw e r ee s t a b l i s h e da n d u s e dt oa n a l y z et h et h e o r yo fc u r i n gt e m p e r a t u r ea n dc u r i n gf o r c e so fm i c r o - p o o l s e l f - l u b r i c a t i n gc u t t i n gt 0 0 1 a n a l y s i sr e s u l t s i n d i c a t e dt h a tt h r e ec u t t i n gf o r c e c o m p o n e n t sa n dc u t t i n gt e m p e r a t u r ea r eb o t hp r o p o r t i o n a lt ot h ea v e r a g es h e a rs t r e n g t h a n dt h et o o l - c h i pc o n t a c tl e n g t ht f ar e d u c t i o no fa v e r a g es h e a rs t r e n g t h o rt h e t o o l c h i pc o n t a c tl e n g t h ew i l lb o t hr e s u l ti nt h er e d u c e dc u t t i n gf o r c e sa n dc u t t i n g t e m p e r a t u r ed u r i n gc u t t i n gp r o c e s s e s s u p p o r t e db y t a i s h a ns c h o l a rp r o g r a mf o u n d a t i o no fs h a n d o n g a n d “o u t s t a n d i n gy o u n g s c h o l a r s c i e n c ef o u n d a t i o no fs h a n d o n g ( j q 2 0 0 917 ) ” x l 山东大学博十学位论文 1 1 1 em i c r o - h o l e ss 仃u c t u r eo ft h em i c r o p o o ls e l f - l u b r i c a t i n gt o o l sw e r es t u d i e d t h ee f f e c to fm i c r o - h o l e so ns t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h ec u t t i n gt o o l sw e r ea n a l y z e da n d t h ea p p r o p r i a t em i c r o - h o l e ss t r u c t u r a lp a r a m e t e r sw e r ep u tf o r w a r d ：t h em i c r o - h o l e s a r ec i r c u l a r ；, t h en u m b e ro fm i c r o - h o l e si s4 ：t h ed i a m e t e ro fm i c r o h o l e si s0 15 + 0 0 2 m m ；t h ed i s t a n c el ii sa b o u t0 3 m m ；t h ed i s t a n c el 2i sa b o u t0 3 m m ；t h ed i s t a n c el 3i s a b o u t 伽3m m ；t h ed e p t hhi so 3 0m m ；t h ea x i sd i s t a n c el 4i so 0 5l n n l m i c r o e d mm e t h o dw a sc h o o s e dt op r e p a r em i c r o - 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