清華團隊在特種刀具磨損研究領域取得系列進展

2024-07-06科學

近期，清華大學深圳國際研究生院先進制造團隊智慧制造與精密加工實驗室在特種刀具磨損研究領域取得了系列進展。

首先，在高效能耐磨刀具開發方面，提出了不同於傳統刀具透過增強硬度提高耐磨效能的新思路。針對芳綸紙蜂窩復合材料超聲加工薄刃刀具的結構特點，改為透過增強刀具材料韌性的方式提高刀具壽命，並具體針對該類特種圓盤刀進行了深入研究，開發了加工過程保持效能好、切削力小、加工表面品質優良的圓盤刀。這項工作采取最佳化熱處理方案對材料進行了增韌改性，測試了熱處理之後材料在硬度、韌性、耐磨性上的表現，獲得了材料靜態測試效能結果。

接下來，采用上述材料制備刀具並進行超聲加工實驗，對比了在刀具全生命周期刀具的切削力、表面加工品質的演變規律。該研究發現，有別於傳統切削刀具的性質，材料韌性對於超聲加工圓盤刀來說是最重要的影響因素，不僅適用於沖擊載荷場景，也能夠提升刀具的可加工性和初始的鋒利程度，增韌刀具在整個生命周期具有較好的加工效能。

近日，相關研究成果以「芳綸紙蜂窩復合材料圓盤刀增韌減摩」（Wear reduction by toughness enhancement of disc tool in Nomex honeycomb composites machining）為題發表於【國際摩擦學】（ Tribology International ）。深圳國際研究生院2022級博士生徐捷和2021級碩士生樂祺中為論文共同第一作者，深圳國際研究生院副教授馮峰和博士後查慧婷為論文通訊作者。

圖1.蜂窩復合材料圓盤刀磨損過程的全過程分析

智慧制造與精密加工實驗室為了解決鋒利刀具磨損檢測方法這一制造業中尚未解決的技術問題，具體針對鋒利刀具的檢測方法開展了研究，發明了一種基於正交定速切割纖維的鋒利度測試儀，並借助該儀器深入研究了芳綸紙蜂窩加工直刃刀的全生命周期演化過程。這項工作解釋了該儀器測量的機理，並基於機理提出了表征刀具鈍化程度的無因次參數，經研究表明該參數具有測試準確度高，測量表征尺度大的優勢。這一方法被用於刀具全生命周期特征提取，並取得了較好的工業套用效果。

近日，相關研究成果以「芳綸紙蜂窩復合材料加工直刃刀磨損檢測方法」（A Wear Testing Method of Straight Blade Tools for Nomex Honeycomb Composites Machining）為題發表於【磨損】（ Wear ）。深圳國際研究生院2020級工程博士生姜恩來和2021級碩士生樂祺中為論文共同第一作者，深圳國際研究生院副教授馮峰為論文通訊作者。

圖2.蜂窩復合材料加工直刃刀磨損分析與測試儀器

智慧制造與精密加工實驗室基於前期提出的跨碎形多尺度理論分析方法，深入研究了硬質合金刀具的磨損過程與表面特性。該類刀具的嚴重磨損是制約航空航天等領域鈦合金加工效率和加工品質的重要問題，實驗室采用電磁處理工藝有效提升了鈦合金切削所用硬質合金刀具的服役壽命。為了進一步探究電磁處理對刀具磨損效能的影響，針對刀具在電磁處理後的效能表現開展了一系列對比研究，主要包括刀具的宏觀切削壽命、介觀磨損形貌和元素分布、微觀位錯密度等的定性分析，以及刀具磨損表面碎形結構的定量計算，進而建立了一套從微觀缺陷到宏觀形貌的多尺度研究框架，發現刀具材料均質性的提高是整體耐磨性改善的關鍵，從而揭示了電磁處理工藝在硬質合金刀具延壽方面的作用機制。

近日，相關研究成果以「硬質合金刀具切削鈦合金的磨損過程的多尺度分析」（Multiscale analysis on the wear process of cemented carbide tools during titanium alloy machining）為題發表於【摩擦】（ Friction ）。深圳國際研究生院2021級博士生周文萌為論文第一作者，深圳國際研究生院副教授馮峰為論文通訊作者。