硬质合金材料激光超声复合精密切削刀具磨损特性研究

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1、博士学位论文硬质合金材料激光超声复合精密切削刀具磨损特性研究申请人姓名:张昌娟指导教师：焦锋学生类别：工学博士专业名称：机械制造及其自动化研究方向：精密超精密加工技术与装备河南理工大学机械与动力工程学院二○一六年十二月中图分类号：TG506；TG711密级：公开UDC：621单位代码：10460硬质合金材料激光超声复合精密切削刀具磨损特性研究ToolWearCharacteristicsinLaserUltrasonicallyCombinedPrecisionCuttingofTungstenCarbide申请人姓名张昌娟申请学位工学博士学科专业

2、机械制造研究方向精密超精密加工及其自动化技术与装备导师焦锋职称教授提交日期2016.10答辩日期2016.12河南理工大学致谢本文是在尊敬的导师焦锋教授的悉心指导和严格要求下完成的，从论文的选题到研究方案的确定、从试验的准备到论文的撰写等每一环节都凝聚着焦老师的心血。焦老师以其敏锐的思维、渊博的知识，指导和促进着我在学业上的每一步进展。焦老师以其高度的责任感、严谨的治学态度，关心和帮助着我在工作和生活中的每一步成长。在此，谨向焦老师致以最崇高的敬意和衷心的感谢！衷心感谢赵波教授！赵老师活跃的学术思想、严谨的治学态度和求真的科学精神深深感染着我，赵老

3、师在学习、工作和生活中给予我父亲般的关怀使我终身难忘。在此，对赵老师表示最诚挚的谢意！真诚感谢课题组的高国富教授、郑建新教授、向道辉副教授、童景琳副教授，他们谦虚谨慎的工作作风，一丝不苟的敬业精神给我留下了深刻的印象，他们将是我今后学习的榜样。尤其感谢机制实验室的崔峰工程师、李新老师、郑兴帅老师，正是由于他们熟练的操作技能和友好帮助才使课题实验顺利完成。感谢机械制造系全体老师的支持和帮助！感谢张明军老师、曹月坤老师在博士学习阶段给予的热情帮助！感谢博士工作室的段鹏老师、张明老师、邵水军老师、冷军发老师、张跃敏老师、王晓博老师等在学习和生活中给予的帮

4、助和支持。感谢师弟牛赢、史龙飞、齐锋、师妹李丰变、贾晓风、陈凡以及安全科学与工程学院的王祖洸、郭放硕士、能源科学与工程学院的李回贵博士在试验过程中给予的无私帮助。深深感谢父母多年的养育之恩以及在我的求学生涯中所给予的鼓励和支持，感谢公公婆婆对我学习的理解和支持。特别感谢我的爱人在生活和学习中给予的默默关心和大力支持，感谢我懂事可爱的儿子带给我的无尽欢乐，让紧张的学习生活时时充满阳光，使我能够全身心投入课题研究与论文写作。在收稿之际，谨将此文献给我的亲人！感谢各位专家、教授在百忙之中对论文的审阅和指正！谨向所有关心和帮助过我，无法在此一一提及的师长、

5、同事、同学和亲友致以诚挚的谢意！张昌娟2016年10月于河南理工大学摘要硬质合金以其强度、硬度高及耐磨性好等优良的物理力学性能而广泛应用于航空航天、国防军工、仪器仪表等领域。但因其脆性高、断裂韧性低等导致切削过程中切削力大、切削温度高、刀具磨损严重，这已成为严重制约难加工材料高效精密切削技术发展的关键问题。本文采用激光超声复合切削加工方法，以硬质合金的激光超声复合切削过程为主要研究对象，以超硬刀具的磨损特性和磨损机理为主线，采用理论分析、有限元仿真和切削试验相结合的方法，对硬质合金激光超声复合切削过程中的超硬刀具磨损机理及刀具磨损状态识别与预测进行

6、了理论与试验研究。通过研究激光超声复合切削加工原理，建立了激光超声复合切削硬质合金条件下的切削力模型，结合正交试验获得了硬质合金激光超声复合切削过程中切削力最小时的最佳切削参数，并通过常规切削、超声振动切削、激光加热辅助切削与激光超声复合切削硬质合金的对比试验，研究了硬质合金切削过程中的切削力特性。建立了激光超声复合切削硬质合金的温度场解析模型，通过激光超声复合切削条件下的硬质合金工件材料温度场有限元模型，仿真分析了激光超声复合切削硬质合金过程中工件表面温度场及工件材料内部温度场的分布，并通过切削温度试验研究了激光超声复合切削过程中切削参数对切削温

7、度的影响规律，验证了温度场解析模型和有限元模型的正确性。建立了激光超声复合切削硬质合金时的刀具后刀面磨损模型，研究了在常规切削、超声振动切削、激光加热辅助切削与激光超声复合切削4种切削方式下切削硬质合金时的刀具耐用度和刀具磨损情况，分析了切削方式、刀具材料、工件材料及切削参数对刀具磨损特性的影响，研究了刀具磨损对切削力、切削温度及工件表面质量的影响规律。通过超景深显微镜、扫描电镜和能谱分析对硬质合金常规切削、超声振动切削、激光加热辅助切削与激光超声复合切削过程中刀具的磨损形态和磨损形貌进行观测与对比分析，揭示激光超声复合切削硬质合金时CBN刀具和P

8、CD刀具的磨损机理。基于硬质合金切削过程中的声发射信号，构建了激光超声复合切削硬质合金过程中的刀具磨损状态监测系统，采用小