基于竹鼠切牙的梯度微织构车刀仿生设计研究

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1、国内图书分类号：TB17密级：公开国际图书分类号：621西南交通大学硕士研究生学位论文基于竹鼠切牙的梯度微织构车刀仿生设计研究年级2015姓名牛健地申请学位级别工程硕士专业机械工程指导老师秦娜讲师二零一八年五月西南交通大学硕士研究生学位论文第1页ClassifiedIndex:TB17U.D.C:621SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisStudyonTheBiomimeticDesignofGradientMicro-texture’sCuttingToolBasedonBambooRatIncisorsG

2、rade:2015Candidate:NiuJiandiAcademicDegreeAppliedfor:MasterDegreeSpeciality:MechanicalEngineeringSupervisor:QinNaMay.2018西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要铝合金物理性能优异，被广泛应用于航空航天、机械加工制造中。但铝合金在车削加工中，切削温度高导致铝合金塑性高。高温高压下，刀具前刀面易发生粘结磨损，降低刀具的切削效率，增加工件的加工成本。研究发现，在刀具前刀面植入微织构有效降低刀具切削力和切削温度。但是，织构植入前刀面破坏刀具结构，降低

3、刀具的结构强度，增大了刀具磨损量。因此，为降低刀具磨损量需设计一种既能实现降低刀具切削力，又能弱化织构对刀具结构损坏的梯度微织构就十分必要。本文对竹鼠切牙切削特征、沟槽形貌对主切削力的影响以及梯度微织构的仿生设计展开了研究，主要有以下三个方面：（1）应用非接触激光扫描仪EASCAN-Q获取竹鼠切牙点云数据，应用逆向造型软件GEOMAGIC处理点云数据，重构了切牙三维模型。提取分析了切牙特征角度、特征曲线、“月牙洼”深度数据。同时，还发现了竹鼠切牙牙釉质硬度转折现象，对比分析了三种不同食性动物（猪、狗、竹鼠）切牙的自锐性，为仿生设计梯度微织构车刀提供了仿生依据。（

4、2）针对硬质合金YG6A刀具干车削铝合金7075，利用有限元软件Deform-3D建立了三维车削有限元模型，探究了沟槽形貌（沟槽到刃口的距离、沟槽深度、沟槽宽度、沟槽间距）对刀具主切削力的影响规律。在本文试验条件下，确定了织构到刃口距离10μm、沟槽深度7μm、沟槽宽度12μm、沟槽间距30μm时，主切削力降幅最大。同时，应用激光表面加工技术完成沟槽形貌的刻蚀，通过正交试验法验证了仿真结论的正确性，为仿生设计梯度微织构车刀提供了理论基础。（3）应用竹鼠切牙的“月牙洼”深度数据，结合仿真与试验方法对梯度微织构车刀进行了设计。基于有限元软件ABAQUS建立了刀具切削

5、力模型，通过校核刀具结构应力值，确定了梯度微织构车刀具有更好的结构强度，确定梯度微织构车刀达到了既能降低刀具主切削力，又能提高车刀结构强度的目的。关键词：车削；竹鼠切牙；梯度微织构；主切削力；结构强度西南交通大学硕士研究生学位论文第II页AbstractDuetoitsexcellentphysicalproperties,aluminumalloyhasbeenwidelyusedinaerospaceandmachiningmanufacture.However,theplasticityofaluminumalloyincreasesduetohighte

6、mperatureintheturningprocessofaluminumalloy.Therakefaceofcuttingtooltendstobebondedandwornduetohightemperatureandhighpressure,whichdecreasescuttingefficiencyofcuttingtoolandincreasescuttingcostofworkpiece.Thestudyfindthatmicro-texturescaneffectivelydecreasesthecuttingforceandcuttingt

7、emperaturewhenthemicro-texturesareimplantedintotherakeface.Buttheoriginalstructureofcuttingtoolisdamagedwhentexturesareimplantedintotherakeface.Asaresult,thestructuralstrengthofcuttingtoolisdecreased,itincreasesthewearofcuttingtool.Therefore,fordecreasingthewearofcuttingtool,thegradi

8、entmicro-tex