機(jī)械工程論文開題報(bào)告范文

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　　論文題目：超硬材料微坑織構(gòu)多元融合成型技術(shù)及機(jī)理研究

　　一、選題背景

　　超硬材料在最近幾十年發(fā)展迅速，取得了很多研宄成果。表1-1表述了超硬材料的發(fā)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(yīng)用也越來越多，其中金剛石和CBN主要應(yīng)用于機(jī)械加工刀具。現(xiàn)在社會(huì)中可加工材料越來越多，對(duì)一些難加工材料的要求也不斷增加，同時(shí)對(duì)零件的尺寸以及表面質(zhì)量的要求也越發(fā)嚴(yán)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(zhì)量好、使用時(shí)間長是超硬材料刀具的特點(diǎn)，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(chǎn)工藝的不斷改進(jìn)，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(fù)合材料也應(yīng)用到超硬材料的制作之中，使超硬材料刀具應(yīng)用范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，不僅在普通的精加工和半精加工中得到應(yīng)用，而且在粗加工中也得到了使用，成為最有希望提高成產(chǎn)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(shí)，超硬材料的切削速度可以達(dá)到硬質(zhì)合金刀具的十倍左右，并且刀具壽命要比硬質(zhì)合金高出很多。超硬材料刀具出現(xiàn)，改變了傳統(tǒng)的加工工藝，超硬材料刀具的使用通�？梢允辜庸ぶ械哪ハ骱蛼伖庥密囅骷般娤鱽硖娲�，對(duì)于一些脆硬工件，可以通過一道工序進(jìn)行加工，縮短了加工時(shí)間，提高了加工效率。我國制造業(yè)正在向著高速、高效、高精方向發(fā)展，超硬材料刀具在汽車、航天航空、軍事、機(jī)械加工等領(lǐng)域的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛，具有很大的發(fā)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(zhì)。刀具的材料和刃磨品質(zhì)是決定高速切削加工效率、質(zhì)量和成本的關(guān)鍵因素之一，在高速切削加工過程中，刀具的機(jī)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(qiáng)耐磨性的特點(diǎn)決定這類材質(zhì)的刀具很難進(jìn)行高效刃磨，而刃磨品質(zhì)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(tǒng)的精密加工雖然可以獲得較好的表面加工質(zhì)量，但是加工工藝復(fù)雜，需要的設(shè)備精度要求高，加工效率低。特種加工技術(shù)在超硬材料加工方面具有優(yōu)勢(shì)，可以進(jìn)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(tǒng)機(jī)械加工效率的幾十倍，但在加工過程中放電瞬間產(chǎn)生的高溫會(huì)對(duì)加工表面造成一定的損害，因此電火花加工表面質(zhì)量不如傳統(tǒng)高精機(jī)械加工。綜合多種加工方法的復(fù)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(zhì)量�，F(xiàn)代仿生學(xué)和摩擦學(xué)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(gòu)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(gòu)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(gòu)的加工方法，以及不同類型微織構(gòu)對(duì)刀具切削性能的影響，找到超硬刀具表面合理的織構(gòu)類型對(duì)于生產(chǎn)制造行業(yè)具有一定的意義。

　　三、本文研究涉及的主要理論

　　在上世紀(jì)中頁，Salama等人通過在推力軸承的平行面上植入微細(xì)形貌，進(jìn)行推力軸承的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)軸承的性能在添加微細(xì)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(xì)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(shù)在其表面添加微織構(gòu)時(shí)的改變，研究發(fā)現(xiàn)具有微織構(gòu)的表面在濕潤的環(huán)境下比干燥的環(huán)境中具有更小的摩擦力。DeJong等人在干燥環(huán)境中進(jìn)行了套筒的微織構(gòu)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)在干摩擦下，具有微織構(gòu)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(gòu)會(huì)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(gòu)，并研究其摩擦力的大小受到的影響，研究結(jié)果表明：H坑微織構(gòu)的深度、間距以及直徑對(duì)摩擦性能都有一定的影響。Stephens等人對(duì)凹坑和凸點(diǎn)微織構(gòu)對(duì)摩擦力的影響進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究結(jié)果表明微織構(gòu)的直徑是影響物體摩擦性能的很大因素，然而其織構(gòu)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(gòu)的類型、大小以及其面積率對(duì)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(gòu)進(jìn)行提升。

　　南京航空航天大學(xué)的王曉雷等人對(duì)表面織構(gòu)的承載能力和潤滑減摩原理進(jìn)行了研究，并且提出了通過參數(shù)化來設(shè)計(jì)微織構(gòu)的思想。在進(jìn)行以水作為潤滑劑的實(shí)驗(yàn)表明：微織構(gòu)可以使碳化桂摩擦副表面處于穩(wěn)定的摩擦狀態(tài)，進(jìn)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(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)轉(zhuǎn)速在400 r/min-1200 r/min時(shí)，有微坑織構(gòu)的試樣的承載能力提升了 20%。并且發(fā)現(xiàn)方微坑的面積占有率在一定的范圍內(nèi)增加時(shí)，承載能力也在不斷提高。

　　清華大學(xué)的韓中領(lǐng)和汪家道等人在干摩擦下進(jìn)行了不同尺寸的規(guī)則凹坑的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，探究其潤滑和減阻效果。研究結(jié)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(gè)比較適合的深度值，使?jié)櫥�、減阻效果最好。進(jìn)一步分析認(rèn)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(shí)潤滑油也起到一定的減阻作用。隨著技術(shù)的不斷革新，表面微織構(gòu)的加工技術(shù)也越來越多樣化，主要有：微切削加工技術(shù)、磨削加工技術(shù)、電火花加工技術(shù)、激光加工技術(shù)、反應(yīng)罔子刻燭技術(shù)、LIGA技術(shù)、光刻技術(shù)、超聲加工技術(shù)、電子束刻燭和壓刻技術(shù)等。激光加工技術(shù)、光刻技術(shù)以及電火花加工技術(shù)經(jīng)常運(yùn)用在應(yīng)用在刀具表面織構(gòu)加工中。

　　四、本文研究的主要內(nèi)容

　　本文介紹了超硬材料微坑織構(gòu)的研宄現(xiàn)狀和超聲電火花復(fù)合加工機(jī)理，同時(shí)對(duì)超聲電火花復(fù)合加工機(jī)床的關(guān)鍵零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)加工。通過對(duì)凹坑以及溝槽微織構(gòu)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(gòu)的硬質(zhì)合金和PCD涂層刀具在切削招合金時(shí)工件的溫度場(chǎng)以及切削力，并且通過正交切削實(shí)驗(yàn)來分析不同微織構(gòu)對(duì)刀具切削性能的影響。本文具體研究內(nèi)容如下：

　　1)超聲電火花復(fù)合加工設(shè)備設(shè)計(jì)。從超聲波換能器、超聲變幅桿、電火花脈沖電源以及液槽對(duì)超聲電火花加工機(jī)床進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

　　2)微織構(gòu)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(duì)微織構(gòu)刀具切削錯(cuò)合金的過程進(jìn)行數(shù)值模擬，得到切削時(shí)工件的溫度以及切削力，分析微織構(gòu)對(duì)刀具切削性能的影響。

　　3)微織構(gòu)刀具的加工。利用激光器在硬質(zhì)合金以及PCD涂層刀具表面加工出溝槽微織構(gòu)。

　　4)微織構(gòu)刀具切削實(shí)驗(yàn)。在車床上進(jìn)行溝槽微織構(gòu)刀具在干切削和潤滑切削條件下的切削銷合金實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)得到微織構(gòu)刀'具前刀面磨損形貌以及工件表面粗糙度，分析微織構(gòu)對(duì)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(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 7-9

　　1.2.1 超硬材料刀具研究現(xiàn)狀 7-8

　　1.2.2 超硬材料刀具發(fā)展趨勢(shì) 8-9

　　1.3 表面織構(gòu)研究現(xiàn)狀 9-11

　　1.3.1 表面微織構(gòu)研究現(xiàn)狀及加工技術(shù) 9-10

　　1.3.2 微織構(gòu)對(duì)刀具性能的影響 10-11

　　1.4 復(fù)合加工技術(shù)研究概況 11-14

　　1.4.1 電火花加工技術(shù)的產(chǎn)生及特點(diǎn) 11

　　1.4.2 超聲加工技術(shù)的產(chǎn)生及特點(diǎn) 11-13

　　1.4.3 超聲電火花復(fù)合加工技術(shù) 13-14

　　1.5 DEFORM-3D在切削仿真中的應(yīng)用 14

　　1.6 論文研究的主要內(nèi)容 14-16

　　2 超聲電火花復(fù)合加工技術(shù)研究 16-25

　　2.1 電火花加工基本原理和機(jī)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(jī)理 17-18

　　2.2 超聲振動(dòng)對(duì)電火花加工影響機(jī)理研究 18-24

　　2.2.1 超聲振動(dòng)對(duì)放電通道的影響 19-20

　　2.2.2 超聲對(duì)放電間隙的影響 20-22

　　2.2.3 超聲振動(dòng)對(duì)電蝕物排出的影響 22-23

　　2.2.4 超聲振動(dòng)對(duì)工件加工表面質(zhì)量的影響 23-24

　　2.3 本章小結(jié) 24-25

　　3 旋轉(zhuǎn)超聲振動(dòng)輔助電火花加工機(jī)床設(shè)計(jì) 25-35

　　3.1 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 25

　　3.2 電火花加工平臺(tái)的設(shè)計(jì) 25-28

　　3.2.1 立柱設(shè)計(jì) 26-27

　　3.2.2 工作臺(tái)設(shè)計(jì) 27-28

　　3.2.3 工作液槽及夾具設(shè)計(jì) 28

　　3.3 超聲波發(fā)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(shù) 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(shè)計(jì) 31-32

　　3.6 電火花脈沖電源設(shè)計(jì) 32-34

　　3.6.1 脈沖電源的組成 32

　　3.6.2 脈沖電源設(shè)計(jì) 32-34

　　3.7 本章小結(jié) 34-35

　　4 基于DEFORM-3D微織構(gòu)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(guān)鍵技術(shù) 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(dòng)應(yīng)力模型 37-38

　　4.3 微織構(gòu)刀具模型建立及材料選取 38-39

　　4.4 模擬參數(shù)設(shè)置 39-40

　　4.5 微織構(gòu)刀具切削加工表面殘余應(yīng)力模擬 40-47

　　4.5.1 等效應(yīng)力場(chǎng)(stress-effective)分析 40-43

　　4.5.2 工件溫度場(chǎng)分布 43-46

　　4.5.3 切削力分析 46-47

　　4.6 本章小結(jié) 47-48

　　5 不同表面微織構(gòu)刀具的切削實(shí)驗(yàn)研究 48-55

　　5.1 超硬材料微織構(gòu)刀具的制備 48-49

　　5.2 鋁合金切削實(shí)驗(yàn)方案 49-50

　　5.2.1 切削實(shí)驗(yàn)設(shè)備 49

　　5.2.2 工件材料選用 49-50

　　5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhì)量分析 51-53

　　5.4 本章小結(jié) 53-55

　　6 結(jié)論與展望 55-56

　　參考文獻(xiàn) 56-60

　　申請(qǐng)學(xué)位期間的學(xué)術(shù)成果及發(fā)表的論文 60-61

　　致謝 61

　　六、目前已經(jīng)閱讀的主要文獻(xiàn)

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