機械工程論文開題報告范文
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論文題目：超硬材料微坑織構多元融合成型技術及機理研究
一、選題背景
超硬材料在最近幾十年發展迅速，取得了很多研宄成果。表1-1表述了超硬材料的發展歷史。天然金剛石、聚晶金剛石(PCD)、人造單晶金剛石、立方氮化硼(CBN)、聚晶立方氮化硼(PCBN)等超硬材料的應用也越來越多，其中金剛石和CBN主要應用于機械加工刀具。現在社會中可加工材料越來越多，對一些難加工材料的要求也不斷增加，同時對零件的尺寸以及表面質量的要求也越發嚴格，需要精加工的材料以及難加工材料的不斷使用，使得超硬材料刀具的地位也越來越重要。加工效率高、加工質量好、使用時間長是超硬材料刀具的特點，以前超硬材料刀具主要用于精加工中，近年來隨著超硬材料生產工藝的不斷改進，超硬材料的原材料純凈度以及材料微單元的大小都得到了控制，熱壓工藝以及復合材料也應用到超硬材料的制作之中，使超硬材料刀具應用范圍進一步擴大，不僅在普通的精加工和半精加工中得到應用，而且在粗加工中也得到了使用，成為最有希望提高成產率的刀具材料之一。在利用刀具加工鑄鐵、鋼、有色金屬和其他合金等零件時，超硬材料的切削速度可以達到硬質合金刀具的十倍左右，并且刀具壽命要比硬質合金高出很多。超硬材料刀具出現，改變了傳統的加工工藝，超硬材料刀具的使用通常可以使加工中的磨削和拋光用車削及銑削來替代，對于一些脆硬工件，可以通過一道工序進行加工，縮短了加工時間，提高了加工效率。我國制造業正在向著高速、高效、高精方向發展，超硬材料刀具在汽車、航天航空、軍事、機械加工等領域的應用會越來越廣泛，具有很大的發展空間。
二、研究目的和意義
以PCD (Polycrystalline Diamond，聚晶金剛石)為代表的超硬材料具有極高的耐磨性和硬度，利用超硬材料制備的刀具具有很高的刃磨品質。刀具的材料和刃磨品質是決定高速切削加工效率、質量和成本的關鍵因素之一，在高速切削加工過程中，刀具的機械磨損和熱磨損是刀具失效的主要原因。超硬材料具有高硬度和強耐磨性的特點決定這類材質的刀具很難進行高效刃磨，而刃磨品質又是決定刀具使用壽命和加工效率的因素。超硬材料通過傳統的精密加工雖然可以獲得較好的表面加工質量，但是加工工藝復雜，需要的設備精度要求高，加工效率低。特種加工技術在超硬材料加工方面具有優勢，可以進行更加高效的加工，以電火花加工為例，電火花加工效率是傳統機械加工效率的幾十倍，但在加工過程中放電瞬間產生的高溫會對加工表面造成一定的損害，因此電火花加工表面質量不如傳統高精機械加工。綜合多種加工方法的復合刃磨加工工藝，不僅能夠提高超硬材料的加工效率，還可以提高工件表面加工質量。現代仿生學和摩擦學研究表明，在物體表面加工出的具有一定形狀的表面微織構可以起到減摩抗磨的作用。因此，除了提高通過提高材料的性能之外，還可以通過在刀具表面加工一定的微坑織構來提高刀具的刃磨性能。綜上所述，研究超硬材料表面微織構的加工方法，以及不同類型微織構對刀具切削性能的影響，找到超硬刀具表面合理的織構類型對于生產制造行業具有一定的意義。
三、本文研究涉及的主要理論
在上世紀中頁，Salama等人通過在推力軸承的平行面上植入微細形貌，進行推力軸承的實驗，實驗研究發現軸承的性能在添加微細形貌之后改變很大。Hamilton等人嘗試通過在工件表面加工出微細形貌的方法來改變工件表面摩擦。
印度的Pradeep和中國的鄧寶清等人研究了物體的表面的摩擦系數在其表面添加微織構時的改變，研究發現具有微織構的表面在濕潤的環境下比干燥的環境中具有更小的摩擦力。DeJong等人在干燥環境中進行了套筒的微織構實驗，實驗研究發現在干摩擦下，具有微織構的套筒摩擦力增加了將近百分之七十。綜上所述，在干摩擦下，微織構會使物體表面的摩擦力增大。
Etsion等人研究了在氣趕與活塞的摩擦副之間添加了微織構，并研究其摩擦力的大小受到的影響，研究結果表明：H坑微織構的深度、間距以及直徑對摩擦性能都有一定的影響。Stephens等人對凹坑和凸點微織構對摩擦力的影響進行了數值模擬，研究結果表明微織構的直徑是影響物體摩擦性能的很大因素，然而其織構在物體表面的面積占有率是一大影響因素。大量的研究表明，微織構的類型、大小以及其面積率對摩擦副之間的摩擦力都有一定的影響，物體的摩擦性能可以通過采用合理的微織構進行提升。
南京航空航天大學的王曉雷等人對表面織構的承載能力和潤滑減摩原理進行了研究，并且提出了通過參數化來設計微織構的思想。在進行以水作為潤滑劑的實驗表明：微織構可以使碳化桂摩擦副表面處于穩定的摩擦狀態，進而可以降低摩擦副之間的摩擦力并提高摩擦副的承載能力。在進行摩擦磨損試驗時，當轉速在400 r/min-1200 r/min時，有微坑織構的試樣的承載能力提升了 20%。并且發現方微坑的面積占有率在一定的范圍內增加時，承載能力也在不斷提高。
清華大學的韓中領和汪家道等人在干摩擦下進行了不同尺寸的規則凹坑的摩擦磨損實驗，探究其潤滑和減阻效果。研究結果表明：表面凹坑具有一定的潤滑和減阻作用，凹坑的深度是一重要因素，并且存在一個比較適合的深度值，使潤滑、減阻效果最好。進一步分析認為凹坑中存在的氣泡和潤滑油共同作用下提高了工件的承載能力，同時潤滑油也起到一定的減阻作用。隨著技術的不斷革新，表面微織構的加工技術也越來越多樣化，主要有：微切削加工技術、磨削加工技術、電火花加工技術、激光加工技術、反應罔子刻燭技術、LIGA技術、光刻技術、超聲加工技術、電子束刻燭和壓刻技術等。激光加工技術、光刻技術以及電火花加工技術經常運用在應用在刀具表面織構加工中。
四、本文研究的主要內容
本文介紹了超硬材料微坑織構的研宄現狀和超聲電火花復合加工機理，同時對超聲電火花復合加工機床的關鍵零部件進行設計加工。通過對凹坑以及溝槽微織構刀具的三維建模，利用DEF0RM-3D有限元分析軟件，分析了具有微織構的硬質合金和PCD涂層刀具在切削招合金時工件的溫度場以及切削力，并且通過正交切削實驗來分析不同微織構對刀具切削性能的影響。本文具體研究內容如下：
1)超聲電火花復合加工設備設計。從超聲波換能器、超聲變幅桿、電火花脈沖電源以及液槽對超聲電火花加工機床進行了設計。
2)微織構刀具三維切削仿真。建立切削的物理模型，并通過DEFORM-3D有限元仿真軟件對微織構刀具切削錯合金的過程進行數值模擬，得到切削時工件的溫度以及切削力，分析微織構對刀具切削性能的影響。
3)微織構刀具的加工。利用激光器在硬質合金以及PCD涂層刀具表面加工出溝槽微織構。
4)微織構刀具切削實驗。在車床上進行溝槽微織構刀具在干切削和潤滑切削條件下的切削銷合金實驗，通過實驗得到微織構刀'具前刀面磨損形貌以及工件表面粗糙度，分析微織構對刀具切削性能的影響。
五、論文提綱
摘要 3-4
ABSTRACT 4
1 緒論 7-16
1.1 引言 7
1.2 超硬材料刀具研究現狀及發展趨勢 7-9
1.2.1 超硬材料刀具研究現狀 7-8
1.2.2 超硬材料刀具發展趨勢 8-9
1.3 表面織構研究現狀 9-11
1.3.1 表面微織構研究現狀及加工技術 9-10
1.3.2 微織構對刀具性能的影響 10-11
1.4 復合加工技術研究概況 11-14
1.4.1 電火花加工技術的產生及特點 11
1.4.2 超聲加工技術的產生及特點 11-13
1.4.3 超聲電火花復合加工技術 13-14
1.5 DEFORM-3D在切削仿真中的應用 14
1.6 論文研究的主要內容 14-16
2 超聲電火花復合加工技術研究 16-25
2.1 電火花加工基本原理和機理 16-18
2.1.1 電火花加工基本原理 16-17
2.1.2 電火花加工機理 17-18
2.2 超聲振動對電火花加工影響機理研究 18-24
2.2.1 超聲振動對放電通道的影響 19-20
2.2.2 超聲對放電間隙的影響 20-22
2.2.3 超聲振動對電蝕物排出的影響 22-23
2.2.4 超聲振動對工件加工表面質量的影響 23-24
2.3 本章小結 24-25
3 旋轉超聲振動輔助電火花加工機床設計 25-35
3.1 機床總體結構設計 25
3.2 電火花加工平臺的設計 25-28
3.2.1 立柱設計 26-27
3.2.2 工作臺設計 27-28
3.2.3 工作液槽及夾具設計 28
3.3 超聲波發生裝置 28-29
3.4 超聲波換能器 29
3.5 超聲波變幅桿 29-32
3.5.1 變幅桿的材料及性能參數 29-30
3.5.2 變幅桿的種類 30-31
3.5.3 超聲波變幅桿與工具頭整體設計 31-32
3.6 電火花脈沖電源設計 32-34
3.6.1 脈沖電源的組成 32
3.6.2 脈沖電源設計 32-34
3.7 本章小結 34-35
4 基于DEFORM-3D微織構刀具切削仿真分析 35-48
4.1 DEFORM-3D有限元軟件介紹及模擬過程 35
4.2 DEFORM-3D有限元模擬關鍵技術 35-38
4.2.1 仿真模型的建立 36
4.2.2 摩擦磨損模型 36-37
4.2.3 材料流動應力模型 37-38
4.3 微織構刀具模型建立及材料選取 38-39
4.4 模擬參數設置 39-40
4.5 微織構刀具切削加工表面殘余應力模擬 40-47
4.5.1 等效應力場(stress-effective)分析 40-43
4.5.2 工件溫度場分布 43-46
4.5.3 切削力分析 46-47
4.6 本章小結 47-48
5 不同表面微織構刀具的切削實驗研究 48-55
5.1 超硬材料微織構刀具的制備 48-49
5.2 鋁合金切削實驗方案 49-50
5.2.1 切削實驗設備 49
5.2.2 工件材料選用 49-50
5.3 實驗結果分析 50-53
5.3.1 干切削下前刀面磨損 50
5.3.2 切削液潤滑下前刀面磨損 50-51
5.3.3 切削質量分析 51-53
5.4 本章小結 53-55
6 結論與展望 55-56
參考文獻 56-60
申請學位期間的學術成果及發表的論文 60-61
致謝 61
六、目前已經閱讀的主要文獻
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