超硬材料微坑织构多元融合成型技术及机理研究
开题报告
目 录
一、选题背景
二、研究目的和意义
三、本文研究涉及的主要理论
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
（二）本文研究框架
五、写作提纲
六、本文研究进展
七、目前已经阅读的文献
一、选题背景
超硬材料在最近几十年发展迅速，取得了很多研宄成果。表1-1表述了超硬材料的发展历史。天然金刚石、聚晶金刚石（PCD)、人造单晶金刚石、立方氮化硼（CBN)、聚晶立方氮化硼(PCBN)等超硬材料的应用也越来越多，其中金刚石和CBN主要应用于机械加工刀具。现在社会中可加工材料越来越多，对一些难加工材料的要求也不断增加，同时对零件的尺寸以及表面质量的要求也越发严格，需要精加工的材料以及难加工材料的不断使用，使得超硬材料刀具的地位也越来越重要。加工效率高、加工质量好、使用时间长是超硬材料刀具的特点，以前超硬材料刀具主要用于精加工中，近年来随着超硬材料生产工艺的不断改进，超硬材料的原材料纯净度以及材料微单元的大小都得到了控制，热压工艺以及复合材料也应用到超硬材料的制作之中，使超硬材料刀具应用范围进一步扩大，不仅在普通的精加工和半精加工中得到应用，而且在粗加工中也得到了使用，成为最有希望提高成产率的刀具材料之一。在利用刀具加工铸铁、钢、有色金属和其他合金等零件时，超硬材料的切削速度可以达到硬质合金刀具的十倍左右，并且刀具寿命要比硬质合金高出很多。超硬材料刀具出现，改变了传统的加工工艺，超硬材料刀具的使用通常可以使加工中的磨削和抛光用车削及铣削来替代，对于一些脆硬工件，可以通过一道工序进行加工，缩短了加工时间，提高了加工效率。我国制造业正在向着高速、高效、高精方向发展，超硬材料刀具在汽车、航天航空、军事、机械加工等领域的应用会越来越广泛，具有很大的发展空间。
二、研究目的和意义
以PCD (Polycrystalline Diamond，聚晶金刚石）为代表的超硬材料具有极高的耐磨性和硬度，利用超硬材料制备的刀具具有很高的刃磨品质。刀具的材料和刃磨品质是决定高速切削加工效率、质量和成本的关键因素之一，在高速切削加工过程中，刀具的机械磨损和热磨损是刀具失效的主要原因。超硬材料具有高硬度和强耐磨性的特点决定这类材质的刀具很难进行高效刃磨，而刃磨品质又是决定刀具使用寿命和加工效率的因素。超硬材料通过传统的精密加工虽然可以获得较好的表面加工质量，但是加工工艺复杂，需要的设备精度要求高，加工效率低。特种加工技术在超硬材料加工方面具有优势，可以进行更加高效的加工，以电火花加工为例，电火花加工效率是传统机械加工效率的几十倍，但在加工过程中放电瞬间产生的高温会对加工表面造成一定的损害，因此电火花加工表面质量不如传统高精机械加工。综合多种加工方法的复合刃磨加工工艺，不仅能够提高超硬材料的加工效率，还可以提高工件表面加工质量。现代仿生学和摩擦学研究表明，在物体表面加工出的具有一定形状的表面微织构可以起到减摩抗磨的作用。因此，除了提高通过提高材料的性能之外，还可以通过在刀具表面加工一定的微坑织构来提高刀具的刃磨性能。综上所述，研究超硬材料表面微织构的加工方法，以及不同类型微织构对刀具切削性能的影响，找到超硬刀具表面合理的织构类型对于生产制造行业具有一定的意义。
三、本文研究涉及的主要理论
在上世纪中页，Salama等人通过在推力轴承的平行面上植入微细形貌，进行推力轴承的实验，实验研究发现轴承的性能在添加微细形貌之后改变很大。Hamilton等人尝试通过在工件表面加工出微细形貌的方法来改变工件表面摩擦。
印度的Pradeep和中国的邓宝清等人研究了物体的表面的摩擦系数在其表面添加微织构时的改变，研究发现具有微织构的表面在湿润的环境下比干燥的环境中具有更小的摩擦力。DeJong等人在干燥环境中进行了套筒的微织构实验，实验研究发现在干摩擦下，具有微织构的套筒摩擦力增加了将近百分之七十。综上所述，在干摩擦下，微织构会使物体表面的摩擦力增大。
Etsion等人研究了在气赶与活塞的摩擦副之间添加了微织构，并研究其摩擦力的大小受到的影响，研究结果表明：H坑微织构的深度、间距以及直径对摩擦性能都有一定的影响。Stephens等人对凹坑和凸点微织构对摩擦力的影响进行了数值模拟，研究结果表明微织构的直径是影响物体摩擦性能的很大因素，然而其织构在物体表面的面积占有率是一大影响因素。大量的研究表明，微织构的类型、大小以及其面积率对摩擦副之间的摩擦力都有一定的影响，物体的摩擦性能可以通过采用合理的微织构进行提升。
南京航空航天大学的王晓雷等人对表面织构的承载能力和润滑减摩原理进行了研究，并且提出了通过参数化来设计微织构的思想。在进行以水作为润滑剂的实验表明：微织构可以使碳化桂摩擦副表面处于稳定的摩擦状态，进而可以降低摩擦副之间的摩擦力并提高摩擦副的承载能力。在进行摩擦磨损试验时，当转速在400 r/min-1200 r/min时，有微坑织构的试样的承载能力提升了 20%。并且发现方微坑的面积占有率在一定的范围内增加时，承载能力也在不断提高。
清华大学的韩中领和汪家道等人在干摩擦下进行了不同尺寸的规则凹坑的摩擦磨损实验，探究其润滑和减阻效果。研究结果表明：表面凹坑具有一定的润滑和减阻作用，凹坑的深度是一重要因素，并且存在一个比较适合的深度值，使润滑、减阻效果最好。进一步分析认为凹坑中存在的气泡和润滑油共同作用下提高了工件的承载能力，同时润滑油也起到一定的减阻作用。随着技术的不断革新，表面微织构的加工技术也越来越多样化，主要有：微切削加工技术、磨削加工技术、电火花加工技术、激光加工技术、反应罔子刻烛技术、LIGA技术、光刻技术、超声加工技术、电子束刻烛和压刻技术等。激光加工技术、光刻技术以及电火花加工技术经常运用在应用在刀具表面织构加工中。
四、本文研究的主要内容及研究框架
（一）本文研究的主要内容
本文介绍了超硬材料微坑织构的研宄现状和超声电火花复合加工机理，同时对超声电火花复合加工机床的关键零部件进行设计加工。通过对凹坑以及沟槽微织构刀具的三维建模，利用DEF0RM-3D有限元分析软件，分析了具有微织构的硬质合金和PCD涂层刀具在切削招合金时工件的温度场以及切削力，并且通过正交切削实验来分析不同微织构对刀具切削性能的影响。本文具体研究内容如下：
1)超声电火花复合加工设备设计。从超声波换能器、超声变幅杆、电火花脉冲电源以及液槽对超声电火花加工机床进行了设计。
2)微织构刀具三维切削仿真。建立切削的物理模型，并通过DEFORM-3D有限元仿真软件对微织构刀具切削错合金的过程进行数值模拟，得到切削时工件的温度以及切削力，分析微织构对刀具切削性能的影响。
3)微织构刀具的加工。利用激光器在硬质合金以及PCD涂层刀具表面加工出沟槽微织构。
4)微织构刀具切削实验。在车床上进行沟槽微织构刀具在干切削和润滑切削条件下的切削销合金实验，通过实验得到微织构刀'具前刀面磨损形貌以及工件表面粗糙度，分析微织构对刀具切削性能的影响。
（二）本文研究框架
本文研究框架可简单表示为：
五、写作提纲
摘要 3-4
ABSTRACT 4
1 绪论 7-16
1.1 引言 7
1.2 超硬材料刀具研究现状及发展趋势 7-9
1.2.1 超硬材料刀具研究现状 7-8
1.2.2 超硬材料刀具发展趋势 8-9
1.3 表面织构研究现状 9-11
1.3.1 表面微织构研究现状及加工技术 9-10
1.3.2 微织构对刀具性能的影响 10-11
1.4 复合加工技术研究概况 11-14
1.4.1 电火花加工技术的产生及特点 11
1.4.2 超声加工技术的产生及特点 11-13
1.4.3 超声电火花复合加工技术 13-14
1.5 DEFORM-3D在切削仿真中的应用 14
1.6 论文研究的主要内容 14-16
2 超声电火花复合加工技术研究 16-25
2.1 电火花加工基本原理和机理 16-18
2.1.1 电火花加工基本原理 16-17
2.1.2 电火花加工机理 17-18
2.2 超声振动对电火花加工影响机理研究 18-24
2.2.1 超声振动对放电通道的影响 19-20
2.2.2 超声对放电间隙的影响 20-22
2.2.3 超声振动对电蚀物排出的影响 22-23
2.2.4 超声振动对工件加工表面质量的影响 23-24
2.3 本章小结 24-25
3 旋转超声振动辅助电火花加工机床设计 25-35
3.1 机床总体结构设计 25
3.2 电火花加工平台的设计 25-28
3.2.1 立柱设计 26-27
3.2.2 工作台设计 27-28
3.2.3 工作液槽及夹具设计 28
3.3 超声波发生装置 28-29
3.4 超声波换能器 29
3.5 超声波变幅杆 29-32
3.5.1 变幅杆的材料及性能参数 29-30
3.5.2 变幅杆的种类 30-31
3.5.3 超声波变幅杆与工具头整体设计 31-32
3.6 电火花脉冲电源设计 32-34
3.6.1 脉冲电源的组成 32
3.6.2 脉冲电源设计 32-34
3.7 本章小结 34-35
4 基于DEFORM-3D微织构刀具切削仿真分析 35-48
4.1 DEFORM-3D有限元软件介绍及模拟过程 35
4.2 DEFORM-3D有限元模拟关键技术 35-38
4.2.1 仿真模型的建立 36
4.2.2 摩擦磨损模型 36-37
4.2.3 材料流动应力模型 37-38
4.3 微织构刀具模型建立及材料选取 38-39
4.4 模拟参数设置 39-40
4.5 微织构刀具切削加工表面残余应力模拟 40-47
4.5.1 等效应力场(stress-effective)分析 40-43
4.5.2 工件温度场分布 43-46
4.5.3 切削力分析 46-47
4.6 本章小结 47-48
5 不同表面微织构刀具的切削实验研究 48-55
5.1 超硬材料微织构刀具的制备 48-49
5.2 铝合金切削实验方案 49-50
5.2.1 切削实验设备 49
5.2.2 工件材料选用 49-50
5.3 实验结果分析 50-53
5.3.1 干切削下前刀面磨损 50
5.3.2 切削液润滑下前刀面磨损 50-51
5.3.3 切削质量分析 51-53
5.4 本章小结 53-55
6 结论与展望 55-56
参考文献 56-60
申请学位期间的学术成果及发表的论文 60-61
致谢 61
六、本文研究进展(略)
七、目前已经阅读的主要文献
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