【摘要】：淬硬鋼由于具有極高的強(qiáng)度以及良好的耐磨性,因此被廣泛應(yīng)用于模具制造以及高端裝備制造等行業(yè)中。然而淬硬鋼的硬度高、塑性差,并且其加工方式往往為斷續(xù)切削,刀具在切削淬硬鋼時(shí)承受極強(qiáng)的沖擊載荷,極易發(fā)生破損。因此,針對(duì)淬硬鋼的斷續(xù)切削加工,本論文采用切削試驗(yàn)和仿真模擬相結(jié)合的方法,研究了高速斷續(xù)切削淬硬鋼時(shí)刀具裂紋的擴(kuò)展路徑,并以此為依據(jù)設(shè)計(jì)并制備了斜向梯度陶瓷刀具材料,并對(duì)斜向梯度陶瓷刀具的力學(xué)性能和切削性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。采用陶瓷刀具進(jìn)行了斷續(xù)車(chē)削淬硬鋼20CrMnTi的正交試驗(yàn),應(yīng)用田口法與方差分析研究了切削參數(shù)在時(shí)間尺度上對(duì)切削力的影響,結(jié)果表明:切削深度對(duì)切削力的影響最大,并且隨著刀具損傷的累積,其影響占比逐漸升高;采用斷口形貌學(xué)研究了切削速度對(duì)刀具失效機(jī)理的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):斷續(xù)切削淬硬鋼時(shí)陶瓷刀具的失效機(jī)理為疲勞斷裂,低速時(shí),疲勞特征為疲勞條帶,而高速時(shí)的疲勞特征為疲勞弧線(xiàn);分析了刀具疲勞裂紋擴(kuò)展路徑:裂紋起源于刀具刀尖處,隨后沿45°最大剪應(yīng)力方向向刀具內(nèi)部擴(kuò)展,隨著刀具破損的進(jìn)行,裂紋擴(kuò)展方向逐漸平行于前刀面,并最終向刀具表面擴(kuò)展。采用涂層硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行了高速面銑H13鋼和SKD11淬硬鋼試驗(yàn),研究了刀具銑削兩種工件材料時(shí)切削力隨切削參數(shù)的變化規(guī)律,并對(duì)刀具的失效機(jī)理進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),刀具在銑削H13鋼時(shí)的主要失效形式為后刀面的磨損,而銑削SKD11淬硬鋼鋼時(shí),刀具主要失效形式為前刀面的疲勞斷裂。疲勞裂紋起源于刀具基體缺陷處,隨后向刀具前刀面表面擴(kuò)展。在刀具斷口表面發(fā)現(xiàn)多個(gè)疲勞源,并且有河流花樣形貌,表明裂紋模式為Ⅰ-Ⅲ復(fù)合型裂紋。采用涂層硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行了正交銑削淬硬鋼試驗(yàn),分析了切削速度對(duì)切削力以及刀具失效機(jī)理的影響;建立了正交銑削淬硬鋼的二維切削仿真模型,并對(duì)刀具切入、切削以及切出工件時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了研究,建立了擴(kuò)展有限元模型探究了裂紋起始位置以及刀具前角對(duì)裂紋擴(kuò)展路徑的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):刀具裂紋起源于前刀面最大拉應(yīng)力處,并在循環(huán)拉-壓載荷的作用下沿45°方向向刀具內(nèi)部擴(kuò)展�；趯�(duì)斷續(xù)切削淬硬鋼刀具裂紋擴(kuò)展路徑的研究,將刀具材料的刀-工與刀-屑接觸區(qū)設(shè)計(jì)為具有高硬度和高耐磨性的陶瓷,沿裂紋擴(kuò)展方向提高刀具材料的斷裂韌性,制備出A12O3-TiC斜向梯度陶瓷刀具材料TAA30。當(dāng)取向角α為30°,梯度層為5層,層厚比e為0.4,燒結(jié)溫度為1700℃,保溫時(shí)間為15分鐘時(shí),TA30取得最優(yōu)性能。刀具材料的硬度由表層到里層分別為21.22GPa,20.54GPa,19.90GPa,斷裂韌度由表層到里層分別為9.07MPa·m1/2,9.29MPa·m1/2,9.26MPa·m1/2,抗彎強(qiáng)度為 761MPa。采用熱壓燒結(jié)工藝制備出A1203-TiC-TiB2梯度陶瓷刀具材料TT3,并對(duì)其梯度結(jié)構(gòu)組份、層厚比以及燒結(jié)工藝進(jìn)行了優(yōu)選。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)?shù)毒卟牧媳韺优c過(guò)渡層硬度最大,里層韌性最高時(shí),層厚比為0.2,燒結(jié)溫度為1700℃,保溫時(shí)間為20min時(shí),刀具材料獲到最優(yōu)力學(xué)性能,其表層硬度為23.59GPa,斷裂韌度7.45MPa·m1/2,抗彎強(qiáng)度為764.11MPa�？偨Y(jié)了斜向梯度陶瓷刀具材料的抗裂紋擴(kuò)展機(jī)理,包括:a.裂紋止裂效應(yīng);b.裂紋偏轉(zhuǎn)效應(yīng);c.裂紋橋接效應(yīng)。研究了自制TAA30以及TT3系列斜向梯度陶瓷刀具斷續(xù)車(chē)削SKD11淬硬鋼的切削性能,并與商用刀具進(jìn)行了對(duì)比,分析了切削深度與切削速度對(duì)切削力、切削溫度、切屑形貌以及刀具失效機(jī)理的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn),相比于商用刀具和TAA30刀具,TT3系列刀具的切削力與切削溫度更低,切屑形態(tài)更為完整,刀具壽命更高。由于斜向梯度陶瓷刀具刀尖處的殘余壓應(yīng)力使刀尖處擁有較高的硬度,并且斷裂韌度由表及里升高使刀具擁有良好的裂紋止裂作用,刀具失效形式為刀尖處的破損以及沿切削刃的剝落。當(dāng)取向角為15°時(shí),即TT3A15,刀具切削性能最優(yōu)。
【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(lèi)號(hào)】：TG711
【圖文】：

采用ＣＡ６１４０型普通車(chē)床進(jìn)行斷續(xù)車(chē)削試驗(yàn)，切削過(guò)程中不使用切削液，工逡逑件材料為淬硬鋼２０ＣｒＭｎＴｉ，其化學(xué)成分和力學(xué)性能分別如表２－１和２－２所示。逡逑圖２－１為本次試驗(yàn)所用的專(zhuān)用夾具，將工件材料均勻固定在專(zhuān)用夾具中，每個(gè)循逡逑環(huán)刀具承受四次沖擊載荷。刀具材料為商用陶瓷刀具ＣＣ６５０，刀具幾何參數(shù)如表逡逑２－３所示。采用Ｌ0（３４）正交表安排試驗(yàn)，切削參數(shù)如表２－４所示。逡逑／邋Ｘ邐＼邋＼邐０１２Ｓｍｍ逡逑／／邋丁邐￣逡逑圖２－１工件及夾具示意圖逡逑１３逡逑

切削分力由式（２－２）得出：逡逑＆４（Ｚ？，（２－２）逡逑圖２－２為切削速度為１３０ｍ／ｍｉｎ時(shí)陶瓷刀具斷續(xù)車(chē)削淬硬鋼時(shí)刀具后刀面磨逡逑損量隨沖擊次數(shù)的變化情況。從圖中可以看出，陶瓷刀具的失效斷口表面為典型逡逑的貝殼狀形貌，因此刀具失效形式為疲勞斷裂。此外，由于刀具后刀面的磨損量逡逑在切削過(guò)程中隨著時(shí)間發(fā)生變化，為了研究切削力在時(shí)間尺度上的變化規(guī)律，因逡逑此本次試驗(yàn)以刀具后刀面磨損量分別為0．0５ｍｍ，０．１５ｍｍ以及０．２５ｍｍ時(shí)作為刀逡逑具壽命不同階段的分界點(diǎn)｜１４４］，分析切削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律。逡逑ｆ逡逑0．４0邐＜逡逑ｇｏ．２５－邐＾ｍ＾＠ｃ逡逑＿邋０．２０邋－逡逑５Ｓ逡逑ｇｎ．ｉｓ－邐Ｈ９Ｈ逡逑ｔｎｗＭ逡逑Ｕ．ＯＯ邋￣￣Ｉ邐１邐１邐１邐１邐１邐＇邐＇邐逡逑８００邐１６００邐２４００邐３２００邐４ＵＵ０邋４８００邐５６００邐６４００逡逑沖擊次數(shù)（Ｎ＞逡逑圖２－２斷續(xù)車(chē)削時(shí)刀具損傷演化圖（ｖｔ．＝邋１３０ｍ／ｍｉｎ，b6０＿１０ｍｎｉ／ｒ，ｆｌ／＾Ｏ．ｌＯｍｍ）逡逑２．１．２．１田口法分析逡逑田口法是一種高效的質(zhì)量工程方法，具有低成本、高效益等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛的逡逑應(yīng)用于試驗(yàn)設(shè)計(jì)中｜Ｍ５］。在本次試驗(yàn)中

第２章高速斷續(xù)切削淬硬鋼刀具失效機(jī)理研究逡逑從圖２－４ａ中可以看到，由于切削力較大，刀具在較強(qiáng)機(jī)械沖擊載荷的作用下，逡逑斷口面積較大。由圖２－４ｂ對(duì)裂紋的擴(kuò)展路徑進(jìn)行分析：裂紋起源于刀尖處Ｉ１４９，逡逑但是由于刀尖處發(fā)生嚴(yán)重崩刃，因此無(wú)法觀測(cè)到疲勞源的具體位置，需要進(jìn)一步逡逑的分析，隨后的裂紋的擴(kuò)展分為兩個(gè)階段：在階段丨，裂紋在沖擊載荷作用下沿逡逑著４５°最大剪應(yīng)力方向擴(kuò)展，當(dāng)裂紋擴(kuò)展到一定深度時(shí)，在垂直于刀具表面的逡逑壓應(yīng)力作用下，裂紋沿著壓應(yīng)力的法線(xiàn)方向（即平行于刀具前刀面的方向）擴(kuò)展，逡逑此為階段ＩＩ。在裂紋擴(kuò)展的最后階段，裂紋向刀具表面擴(kuò)展。由于低速切削時(shí)，逡逑切削力較大而切削溫度較低，刀具裂紋擴(kuò)展機(jī)理為低速時(shí)的循環(huán)機(jī)械沖擊，熱沖逡逑擊的作用很�。保玻保ｅ义�°－００邋０．００邐５００．００邐１？４９．６３逡逑圖２＿４陶瓷刀具前刀面的三維圖片及裂紋礦展路徑0Ｖ＝８０ｍ／ｍｉｎ

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2749563