發(fā)布時(shí)間：2020-03-19 23:10

【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?yán)幽＞咂涔ぷ鞅砻婺Σ撂匦�、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(hù)成本及企業(yè)生產(chǎn)效率。隨著高速加工機(jī)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(jiǎn)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(huì)引起模具加工表面幾何及物理力學(xué)性能一系列變化,進(jìn)而對(duì)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(duì)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(jī)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(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的手段,研究了球銑加工表面殘留形貌生成機(jī)理及其主要影響因素;基于單因素試驗(yàn)與響應(yīng)曲面試驗(yàn),分析了銑削參數(shù)對(duì)表面粗糙度、顯微硬度、殘余應(yīng)力等表面完整性典型指標(biāo)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(duì)表面完整性典型指標(biāo)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(biāo),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(duì)比分析表面粗糙度、顯微硬度、屈服強(qiáng)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(jī)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(jìn)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(dòng)壓潤(rùn)滑理論,結(jié)合ANSYS Fluent仿真分析,研究了潤(rùn)滑工況淬硬模具鋼高速球銑加工表面殘留形貌的減摩機(jī)制,并對(duì)表面形貌減摩作用的長(zhǎng)時(shí)有效性進(jìn)行了分析,進(jìn)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(dá)52.8%～76.2%;通過調(diào)節(jié)每齒進(jìn)給量與徑向切深可實(shí)現(xiàn)對(duì)球銑加工表面摩擦系數(shù)的控制。以表面完整性典型指標(biāo)為紐帶,結(jié)合摩擦學(xué)理論、位錯(cuò)理論等理論,對(duì)比分析了不同走刀路徑試樣表面磨損形貌與磨損機(jī)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(dòng)疲勞磨損機(jī)制。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)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(dòng)疲勞磨損發(fā)生機(jī)制,并用以揭示了模具表面凹坑形成原因;通過開展滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)對(duì)假設(shè)的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證,并分析了表面殘留形貌走向?qū)瑒?dòng)疲勞磨損的影響,提出了提高淬硬模具鋼高速球銑加工表面滑動(dòng)疲勞磨損抗力的工藝方法。最后,對(duì)淬硬模具鋼高速球銑加工表面抗疲勞性能進(jìn)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(biāo)對(duì)抗疲勞性能的影響機(jī)制;根據(jù)Neuber模型建立了針對(duì)球銑加工表面微溝槽特征的微觀應(yīng)力集中系數(shù)表達(dá)式;根據(jù)表面粗糙度、顯微硬度及有效殘余應(yīng)力指標(biāo)對(duì)疲勞試樣進(jìn)行分類,通過開展三點(diǎn)彎曲疲勞近似單因素試驗(yàn),分析了表面完整性各指標(biāo)對(duì)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(diǎn),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(duì)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(zhǎng)模具壽命為目標(biāo),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(jī)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(jìn)給運(yùn)動(dòng)之間殘留的表面材料稱為間歇進(jìn)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(jìn)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(diǎn)、以０Ｐ連線為７軸的直角坐標(biāo)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(biāo)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(jìn)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(diǎn)Ｐ的縱坐標(biāo)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(duì)象，通過建立如圖２－３ａ所示的逡逑以球頭部分球心為坐標(biāo)原點(diǎn)的笛卡兒直角坐標(biāo)系，然后利用矢量運(yùn)算與逡逑坐標(biāo)變換獲得切削刃各點(diǎn)在全局坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而明確進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向材逡逑料殘留生成機(jī)制。逡逑（ａ）邐＾－Ｎ邋＜ｂ）邐邐逡逑邐邐＾逡逑Ａ邋Ｚｃ逡逑個(gè)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(jìn)給殘留形成過程示意圖逡逑當(dāng)僅考慮刀具旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，切削刃上任意運(yùn)動(dòng)點(diǎn)Ｃ在坐標(biāo)系中的逡逑坐標(biāo)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(diǎn)Ｃ相對(duì)于球心ａ方位的兩個(gè)角度，其中，逡逑ａ是指在Ｃ點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡平面內(nèi)其與中心點(diǎn)ＣＷ連線和坐標(biāo)軸不之間的夾角，如圖逡逑２－３ｃ所示，／？是指在平面內(nèi)Ｃ點(diǎn)與球心連線和坐標(biāo)軸不之間的夾角，如逡逑圖２－３ｂ所示。逡逑若同時(shí)考慮選定點(diǎn)Ｃ沿進(jìn)給運(yùn)動(dòng)方向作進(jìn)給速度為＆的平移運(yùn)動(dòng)
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG54

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 項(xiàng)欣;陳平;李俊玲;李云龍;;圓凹坑織構(gòu)對(duì)線接觸摩擦副摩擦學(xué)性能的影響[J];中國表面工程;2015年04期

2 廖智奇;吳運(yùn)新;袁海洋;;表面粗糙度對(duì)三維應(yīng)力集中系數(shù)及疲勞壽命的影響[J];中國機(jī)械工程;2015年02期

3 楊本杰;劉小君;董磊;王偉;劉q;;表面形貌對(duì)滑動(dòng)接觸界面摩擦行為的影響[J];摩擦學(xué)學(xué)報(bào);2014年05期

4 李楊;劉小君;王慶生;劉q;;線接觸狀態(tài)下激光加工微造型表面摩擦特性研究[J];摩擦學(xué)學(xué)報(bào);2013年04期

5 于海武;王曉雷;孫造;袁思?xì)g;;圓柱形微凹坑表面織構(gòu)對(duì)流體動(dòng)壓潤(rùn)滑性能的影響[J];南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2010年02期

6 章剛;劉軍;劉永壽;岳珠峰;;表面粗糙度對(duì)表面應(yīng)力集中系數(shù)和疲勞壽命影響分析[J];機(jī)械強(qiáng)度;2010年01期

7 趙振業(yè);;高強(qiáng)度合金應(yīng)用與抗疲勞制造[J];功能材料信息;2009年02期

8 趙振業(yè);;高強(qiáng)度合金應(yīng)用與抗疲勞制造技術(shù)[J];航空制造技術(shù);2007年10期

9 楊普;李學(xué)];陳明;;銑削和磨削淬硬鋼SKD11的表面完整性比較[J];上海交通大學(xué)學(xué)報(bào);2007年04期

10 葉平;沈劍平;王光耀;吳劍;;汽車輕量化用高強(qiáng)度鋼現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì)[J];機(jī)械工程材料;2006年03期

本文編號(hào)：2590856