清华团队在特种刀具磨损研究领域取得系列进展

2024-07-06科学

近期，清华大学深圳国际研究生院先进制造团队智能制造与精密加工实验室在特种刀具磨损研究领域取得了系列进展。

首先，在高性能耐磨刀具开发方面，提出了不同于传统刀具通过增强硬度提高耐磨性能的新思路。针对芳纶纸蜂窝复合材料超声加工薄刃刀具的结构特点，改为通过增强刀具材料韧性的方式提高刀具寿命，并具体针对该类特种圆盘刀进行了深入研究，开发了加工过程保持性能好、切削力小、加工表面质量优良的圆盘刀。这项工作采取优化热处理方案对材料进行了增韧改性，测试了热处理之后材料在硬度、韧性、耐磨性上的表现，获得了材料静态测试性能结果。

接下来，采用上述材料制备刀具并进行超声加工实验，对比了在刀具全生命周期刀具的切削力、表面加工质量的演变规律。该研究发现，有别于传统切削刀具的性质，材料韧性对于超声加工圆盘刀来说是最重要的影响因素，不仅适用于冲击载荷场景，也能够提升刀具的可加工性和初始的锋利程度，增韧刀具在整个生命周期具有较好的加工性能。

近日，相关研究成果以「芳纶纸蜂窝复合材料圆盘刀增韧减摩」（Wear reduction by toughness enhancement of disc tool in Nomex honeycomb composites machining）为题发表于【国际摩擦学】（ Tribology International ）。深圳国际研究生院2022级博士生徐捷和2021级硕士生乐祺中为论文共同第一作者，深圳国际研究生院副教授冯峰和博士后查慧婷为论文通讯作者。

图1.蜂窝复合材料圆盘刀磨损过程的全过程分析

智能制造与精密加工实验室为了解决锋利刀具磨损检测方法这一制造业中尚未解决的技术问题，具体针对锋利刀具的检测方法开展了研究，发明了一种基于正交定速切割纤维的锋利度测试仪，并借助该仪器深入研究了芳纶纸蜂窝加工直刃刀的全生命周期演化过程。这项工作解释了该仪器测量的机理，并基于机理提出了表征刀具钝化程度的无量纲参数，经研究表明该参数具有测试准确度高，测量表征尺度大的优势。这一方法被用于刀具全生命周期特征提取，并取得了较好的工业应用效果。

近日，相关研究成果以「芳纶纸蜂窝复合材料加工直刃刀磨损检测方法」（A Wear Testing Method of Straight Blade Tools for Nomex Honeycomb Composites Machining）为题发表于【磨损】（ Wear ）。深圳国际研究生院2020级工程博士生姜恩来和2021级硕士生乐祺中为论文共同第一作者，深圳国际研究生院副教授冯峰为论文通讯作者。

图2.蜂窝复合材料加工直刃刀磨损分析与测试仪器

智能制造与精密加工实验室基于前期提出的跨分形多尺度理论分析方法，深入研究了硬质合金刀具的磨损过程与表面特性。该类刀具的严重磨损是制约航空航天等领域钛合金加工效率和加工质量的重要问题，实验室采用电磁处理工艺有效提升了钛合金切削所用硬质合金刀具的服役寿命。为了进一步探究电磁处理对刀具磨损性能的影响，针对刀具在电磁处理后的性能表现开展了一系列对比研究，主要包括刀具的宏观切削寿命、介观磨损形貌和元素分布、微观位错密度等的定性分析，以及刀具磨损表面分形结构的定量计算，进而建立了一套从微观缺陷到宏观形貌的多尺度研究框架，发现刀具材料均质性的提高是整体耐磨性改善的关键，从而揭示了电磁处理工艺在硬质合金刀具延寿方面的作用机制。

近日，相关研究成果以「硬质合金刀具切削钛合金的磨损过程的多尺度分析」（Multiscale analysis on the wear process of cemented carbide tools during titanium alloy machining）为题发表于【摩擦】（ Friction ）。深圳国际研究生院2021级博士生周文萌为论文第一作者，深圳国际研究生院副教授冯峰为论文通讯作者。