【摘要】：淬硬鋼由于具有極高的強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承受極強的沖擊載荷,極易發(fā)生破損。因此,針對淬硬鋼的斷續(xù)切削加工,本論文采用切削試驗和仿真模擬相結(jié)合的方法,研究了高速斷續(xù)切削淬硬鋼時刀具裂紋的擴展路徑,并以此為依據(jù)設(shè)計并制備了斜向梯度陶瓷刀具材料,并對斜向梯度陶瓷刀具的力學(xué)性能和切削性能進行了系統(tǒng)研究。采用陶瓷刀具進行了斷續(xù)車削淬硬鋼20CrMnTi的正交試驗,應(yīng)用田口法與方差分析研究了切削參數(shù)在時間尺度上對切削力的影響,結(jié)果表明:切削深度對切削力的影響最大,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)研究了切削速度對刀具失效機理的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn):斷續(xù)切削淬硬鋼時陶瓷刀具的失效機理為疲勞斷裂,低速時,疲勞特征為疲勞條帶,而高速時的疲勞特征為疲勞弧線;分析了刀具疲勞裂紋擴展路徑: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)部擴展,隨著刀具破損的進行,裂紋擴展方向逐漸平行于前刀面,并最終向刀具表面擴展。采用涂層硬質(zhì)合金刀具進行了高速面銑H13鋼和SKD11淬硬鋼試驗,研究了刀具銑削兩種工件材料時切削力隨切削參數(shù)的變化規(guī)律,并對刀具的失效機理進行對比分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn),刀具在銑削H13鋼時的主要失效形式為后刀面的磨損,而銑削SKD11淬硬鋼鋼時,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展。在刀具斷口表面發(fā)現(xiàn)多個疲勞源,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)合金刀具進行了正交銑削淬硬鋼試驗,分析了切削速度對切削力以及刀具失效機理的影響;建立了正交銑削淬硬鋼的二維切削仿真模型,并對刀具切入、切削以及切出工件時的應(yīng)力狀態(tài)進行了研究,建立了擴展有限元模型探究了裂紋起始位置以及刀具前角對裂紋擴展路徑的影響。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)部擴展�；趯嗬m(xù)切削淬硬鋼刀具裂紋擴展路徑的研究,將刀具材料的刀-工與刀-屑接觸區(qū)設(shè)計為具有高硬度和高耐磨性的陶瓷,沿裂紋擴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℃,保溫時間為15分鐘時,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,并對其梯度結(jié)構(gòu)組份、層厚比以及燒結(jié)工藝進行了優(yōu)選。結(jié)果發(fā)現(xiàn),當(dāng)?shù)毒卟牧媳韺优c過渡層硬度最大,里層韌性最高時,層厚比為0.2,燒結(jié)溫度為1700℃,保溫時間為20min時,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,抗彎強度為764.11MPa。總結(jié)了斜向梯度陶瓷刀具材料的抗裂紋擴展機理,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)車削SKD11淬硬鋼的切削性能,并與商用刀具進行了對比,分析了切削深度與切削速度對切削力、切削溫度、切屑形貌以及刀具失效機理的影響。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,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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG711
【圖文】：

采用ＣＡ６１４０型普通車床進行斷續(xù)車削試驗，切削過程中不使用切削液，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為本次試驗所用的專用夾具，將工件材料均勻固定在專用夾具中，每個循逡逑環(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，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時陶瓷刀具斷續(xù)車削淬硬鋼時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程中隨著時間發(fā)生變化，為了研究切削力在時間尺度上的變化規(guī)律，因逡逑此本次試驗以刀具后刀面磨損量分別為0．0５ｍｍ，０．１５ｍｍ以及０．２５ｍｍ時作為刀逡逑具壽命不同階段的分界點｜１４４］，分析切削參數(shù)對切削力的影響規(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)車削時刀具損傷演化圖（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，被廣泛的逡逑應(yīng)用于試驗設(shè)計中｜Ｍ５］。在本次試驗中

第２章高速斷續(xù)切削淬硬鋼刀具失效機理研究逡逑從圖２－４ａ中可以看到，由于切削力較大，刀具在較強機械沖擊載荷的作用下，逡逑斷口面積較大。由圖２－４ｂ對裂紋的擴展路徑進行分析：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，因此無法觀測到疲勞源的具體位置，需要進一步逡逑的分析，隨后的裂紋的擴展分為兩個階段：在階段丨，裂紋在沖擊載荷作用下沿逡逑著４５°最大剪應(yīng)力方向擴展，當(dāng)裂紋擴展到一定深度時，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)力的法線方向（即平行于刀具前刀面的方向）擴展，逡逑此為階段ＩＩ。在裂紋擴展的最后階段，裂紋向刀具表面擴展。由于低速切削時，逡逑切削力較大而切削溫度較低，刀具裂紋擴展機理為低速時的循環(huán)機械沖擊，熱沖逡逑擊的作用很�。保玻保�。逡逑°－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】

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本文編號：2749563