【摘要】：零件表面使役性能諸如耐磨性、耐腐蝕性、抗疲勞性能與其表面加工質(zhì)量密切相關(guān)。類似汽車拉延模具其工作表面摩擦特性、耐磨性、抗疲勞性能直接決定了覆蓋件成形質(zhì)量、模具使用維護成本及企業(yè)生產(chǎn)效率。隨著高速加工機床及高性能刀具技術(shù)的不斷發(fā)展,淬硬模具鋼直接高速切削加工可行性逐漸提高。采用該技術(shù)能簡化模具傳統(tǒng)制造工藝,縮短生產(chǎn)周期,在模具制造行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。然而,高速硬切削加工會引起模具加工表面幾何及物理力學(xué)性能一系列變化,進而對表面使役性能產(chǎn)生影響。鑒于此,本文以拉延模常用淬硬模具鋼Cr12MoV為研究對象,結(jié)合其服役環(huán)境與主要失效形式,在深入分析切削加工工藝參數(shù)與表面完整性及典型使役性能相關(guān)性的基礎(chǔ)上,探究淬硬模具鋼高效高性能球銑加工機理,并提出模具表面高性能球銑工藝參數(shù)優(yōu)選方法。首先,采用理論分析、形貌仿真與試驗驗證相結(jié)合的手段,研究了球銑加工表面殘留形貌生成機理及其主要影響因素;基于單因素試驗與響應(yīng)曲面試驗,分析了銑削參數(shù)對表面粗糙度、顯微硬度、殘余應(yīng)力等表面完整性典型指標的影響規(guī)律。結(jié)果表明:加工表面材料殘留可構(gòu)成尺寸可控的微凹坑或微溝槽特征;主軸轉(zhuǎn)速與徑向切深的交互作用對表面完整性典型指標影響顯著。此外,分別以獲取最小表面粗糙度、最大表面顯微硬度以及最大表面殘余壓應(yīng)力為目標,提出了基于響應(yīng)曲面法的球銑加工工藝參數(shù)優(yōu)選方案。其次,通過對比分析表面粗糙度、顯微硬度、屈服強度及微觀組織結(jié)構(gòu)在不同方向的差異,探討了球銑加工表面完整性的方向效應(yīng)。此外,通過分析淬硬模具鋼球銑加工表面缺陷形成機制及其與切削參數(shù)的相關(guān)性,提出了采用較高的主軸轉(zhuǎn)速或較大的每齒進給量以減少甚至避免加工表面微凹坑缺陷的方法。再次,基于流體動壓潤滑理論,結(jié)合ANSYS Fluent仿真分析,研究了潤滑工況淬硬模具鋼高速球銑加工表面殘留形貌的減摩機制,并對表面形貌減摩作用的長時有效性進行了分析,進而提出了模具鋼高速硬態(tài)球銑加工工藝參數(shù)優(yōu)選原則。研究結(jié)果表明:相比拋光表面,高速硬態(tài)球銑加工表面摩擦系數(shù)降幅可達52.8%～76.2%;通過調(diào)節(jié)每齒進給量與徑向切深可實現(xiàn)對球銑加工表面摩擦系數(shù)的控制。以表面完整性典型指標為紐帶,結(jié)合摩擦學(xué)理論、位錯理論等理論,對比分析了不同走刀路徑試樣表面磨損形貌與磨損機理,揭示了走刀路徑影響球銑加工表面耐磨性的本質(zhì);綜合考慮材料去除率、表面加工硬化及表面加工缺陷,提出了面向高耐磨性加工表面的淬硬模具鋼高速球銑加工工藝參數(shù)優(yōu)選方案。然后,研究了淬硬模具鋼高速球銑加工表面滑動疲勞磨損機制。結(jié)合現(xiàn)場調(diào)研,在綜合分析拉延模具服役環(huán)境、載荷類型及表面狀態(tài)的基礎(chǔ)上,提出了兩類滑動疲勞磨損發(fā)生機制,并用以揭示了模具表面凹坑形成原因;通過開展滑動摩擦試驗對假設(shè)的合理性進行了驗證,并分析了表面殘留形貌走向?qū)瑒悠谀p的影響,提出了提高淬硬模具鋼高速球銑加工表面滑動疲勞磨損抗力的工藝方法。最后,對淬硬模具鋼高速球銑加工表面抗疲勞性能進行了研究。分析了表面形貌、顯微硬度、殘余應(yīng)力等表面完整性典型指標對抗疲勞性能的影響機制;根據(jù)Neuber模型建立了針對球銑加工表面微溝槽特征的微觀應(yīng)力集中系數(shù)表達式;根據(jù)表面粗糙度、顯微硬度及有效殘余應(yīng)力指標對疲勞試樣進行分類,通過開展三點彎曲疲勞近似單因素試驗,分析了表面完整性各指標對抗疲勞性能的影響規(guī)律;闡明了走刀路徑影響抗疲勞性能的本質(zhì),并依據(jù)球銑加工表面形貌特點,提出了分別基于有效殘余應(yīng)力和微觀應(yīng)力集中程度的走刀路徑優(yōu)選方法。結(jié)果表明:微觀應(yīng)力集中系數(shù)隨徑向切深與刀具半徑比值的增大而增大;表面粗糙度對抗疲勞性能的影響不顯著,表面有效殘余壓應(yīng)力與適度的加工硬化有助于提高表面抗疲勞性能。在綜合考慮保證材料去除率、減少表面微凹坑缺陷及降低微觀應(yīng)力集中系數(shù)的基礎(chǔ)上,以獲取高表面殘余壓應(yīng)力與接近HV0.05 900的表面顯微硬度從而延長模具壽命為目標,提出了面向高抗疲勞性能表面的淬硬模具鋼高速球銑加工工藝參數(shù)優(yōu)選方案。
【圖文】：

２．１．１球銑加工表面材料殘留的形成機理逡逑球頭銑刀切削刃由球刃與直刃兩部分構(gòu)成，且多以球刃參切為主。在球銑加逡逑工過程中兩次相鄰進給運動之間殘留的表面材料稱為間歇進給殘留。圖２－２為具逡逑有曲率半徑Ｒ的凸形曲面球銑加工過程間歇進給殘留形成示意圖。建立以加工圓逡逑弧表面圓心０為原點、以０Ｐ連線為７軸的直角坐標系，假定球頭銑刀半徑為ｒ，逡逑徑向切深為軸向切深為％，則球頭部分切削刃在坐標系中可表示為，逡逑＋（＾－＾：ｃｏｓ＜９）＇邋＝邋ｒ２邐（２－１）逡逑式中，逡逑ｋ邋＝邋Ｒ－ａ邋＋ｒ邋，，邋ｓｍ０＝邐0ｅ￣ｒ邋，邋ｃｏｓ＾：邋／ｌ邐———－逡逑２（［０邐＼邋４（Ｒ－ａｐｆ逡逑—Ｉ邐？逡逑圖２－２凸形曲面球銑加工過程間歇進給殘留形成示意圖逡逑令ｊｃ＝０，則根據(jù)式（２－１）可求得殘留高度頂點Ｐ的縱坐標辦，逡逑－１８－逡逑

逡逑文選取具有代表性的無螺旋兩刃球頭銑刀為研宄對象，通過建立如圖２－３ａ所示的逡逑以球頭部分球心為坐標原點的笛卡兒直角坐標系，然后利用矢量運算與逡逑坐標變換獲得切削刃各點在全局坐標系中的運動軌跡，從而明確進給運動方向材逡逑料殘留生成機制。逡逑（ａ）邐＾－Ｎ邋＜ｂ）邐邐逡逑邐邐＾逡逑Ａ邋Ｚｃ逡逑個４逡逑．＾邐邐邋＾邐°ｃ邋＾逡逑Ｉ邋Ｗ邋ｌＨ逡逑ｉ逡逑（ｃ）邐（ｄ）逡逑ｚｔ邋０邋＾逡逑圖２－３球頭銑刀參切刃及進給殘留形成過程示意圖逡逑當(dāng)僅考慮刀具旋轉(zhuǎn)運動時，切削刃上任意運動點Ｃ在坐標系中的逡逑坐標可表示為，逡逑Ｓｘ］邐ｉ邋ｒ邋ｃｏｓ邋Ｊ３邋ｃｏｓ邋ａ逡逑Ｃｃ＝＜Ｓｙ＞邋＝＜邋ｒｃｏｓＪ３ｓ＼ｎａ邋＞邐（２－８）逡逑Ｓ．邋－ｒｓｉｎ／３逡逑式中，ａ與是用來描述切削刃上選定點Ｃ相對于球心ａ方位的兩個角度，其中，逡逑ａ是指在Ｃ點運動軌跡平面內(nèi)其與中心點ＣＷ連線和坐標軸不之間的夾角，如圖逡逑２－３ｃ所示，／？是指在平面內(nèi)Ｃ點與球心連線和坐標軸不之間的夾角，如逡逑圖２－３ｂ所示。逡逑若同時考慮選定點Ｃ沿進給運動方向作進給速度為＆的平移運動
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG54

【參考文獻】

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本文編號：2590856