本文選題：涂層刀具 + 熱分配　； 參考：《山東大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：隨著先進(jìn)刀具技術(shù)的迅速發(fā)展,高性能的涂層刀具已經(jīng)成為現(xiàn)代刀具的標(biāo)志。采用先進(jìn)的刀具涂層可以提高刀具表面的耐磨性和耐熱性、并降低摩擦系數(shù),從而減少刀具磨損,延長刀具壽命。切削過程中涂層對切削熱的產(chǎn)生和刀具溫度分布具有重要影響,特別是在切削熱向涂層刀具體內(nèi)傳導(dǎo)過程中涂層起到明顯的阻礙作用。但由于金屬切削過程的非線性和熱力耦合的復(fù)雜特性,對涂層刀具切削熱傳導(dǎo)機(jī)理目前尚未深入理解和認(rèn)識。因此研究涂層刀具切削熱傳導(dǎo),揭示刀具涂層在切削熱傳導(dǎo)中的作用和傳熱機(jī)理,不僅能夠精確預(yù)測和控制涂層刀具切削溫度,有助于降低刀具磨損,延長涂層刀具壽命,而且可以為刀具涂層材料開發(fā)和涂層刀具設(shè)計等提供理論基礎(chǔ)。以單層涂層(TiN、TiAlN和A1203三種常用刀具涂層)刀具和多層涂層刀具加工H13淬硬鋼為研究對象,通過理論分析、有限元仿真和切削實驗等方法對涂層刀具的切削熱分配和熱傳導(dǎo)機(jī)理展開研究,探討塑性剪切變形熱源和刀-屑摩擦熱源作用下的涂層刀具前刀面溫度場和涂層刀具內(nèi)部溫度場,闡明刀具涂層材料和涂層厚度對切削熱分配和熱傳導(dǎo)的影響規(guī)律。對刀具涂層進(jìn)行顯微結(jié)構(gòu)觀察和性能測試分析。對刀具涂層斷面的微觀形貌進(jìn)行觀察,并對刀具涂層成分進(jìn)行測試分析;通過摩擦實驗獲取刀具涂層材料和H13鋼的常溫和高溫摩擦系數(shù);并對刀具涂層材料導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行理論推導(dǎo),揭示涂層的尺度效應(yīng)對其導(dǎo)熱性能的影響。根據(jù)涂層刀具的特點(diǎn),對涂層刀具切削熱分配和前刀面溫度進(jìn)行研究。基于切削熱分配模型并考慮刀具表面涂層特點(diǎn),結(jié)合有限元仿真定量計算了不同切削速度下涂層刀具的切削熱分配系數(shù),揭示了涂層刀具切削熱分配系數(shù)的變化規(guī)律以及刀具涂層材料和涂層厚度對切削熱分配的影響規(guī)律。建立了剪切變形熱源作用下和刀-屑摩擦熱源作用下涂層刀具的前刀面溫度模型,獲得了涂層刀具前刀面溫度場,并分析切削速度和刀具涂層材料對前刀面溫度場的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:刀具涂層材料的熱物理性能對切削熱分配系數(shù)和前刀面溫度的影響較大;前刀面熱分配系數(shù)與工件材料和刀具涂層材料的熱物理性能有關(guān),刀具涂層的導(dǎo)熱系數(shù)越大,前刀面熱分配系數(shù)小,傳入刀具的切削熱越多。單層涂層刀具前刀面溫度的分布規(guī)律為:沿著刀-屑接觸區(qū)從刀尖點(diǎn)至刀-屑分離點(diǎn)逐步升高,溫度在刀-屑分離點(diǎn)處達(dá)到最高值,隨后呈現(xiàn)迅速下降的趨勢。涂層刀具前刀面溫度隨著刀具涂層材料與工件材料間摩擦系數(shù)的增大而升高。在對涂層刀具熱分配研究的基礎(chǔ)上,研究涂層刀具切削熱傳導(dǎo)和切削溫度,以及涂層刀具切削溫度的影響因素及其變化規(guī)律,揭示刀具涂層材料和涂層厚度對涂層刀具切削溫度分布的影響規(guī)律。分別基于傅里葉熱傳導(dǎo)理論和非傅里葉熱傳導(dǎo)理論建立了單層涂層刀具穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱傳導(dǎo)模型,并獲得單層涂層刀具穩(wěn)態(tài)切削溫度和瞬態(tài)切削溫度,研究不同涂層刀具的切削溫度分布規(guī)律,分析涂層刀具切削溫度分布的影響因素。探討了傅里葉熱傳導(dǎo)模型和非傅里葉熱傳導(dǎo)模型在切削熱傳導(dǎo)中的適用范圍。在切削時間較長時,切削熱傳導(dǎo)達(dá)到穩(wěn)態(tài)階段,傅里葉熱傳導(dǎo)模型具有足夠的精度;當(dāng)切削熱傳導(dǎo)為瞬態(tài)時,通過非傅里葉熱傳導(dǎo)方程建立熱傳導(dǎo)模型更為適用,可用于描述瞬態(tài)熱傳導(dǎo)中的由于熱沖擊而發(fā)生的熱傳導(dǎo)延遲現(xiàn)象。結(jié)果表明:刀具涂層材料和涂層厚度對刀具體溫度有影響;刀具涂層材料的導(dǎo)熱系數(shù)越小則涂層刀具穩(wěn)態(tài)切削溫度越低;刀具涂層材料的熱擴(kuò)散系數(shù)越小則涂層刀具瞬態(tài)切削溫度越低;隨著刀具涂層厚度的增加切削溫度降低明顯,切削時間越長,刀具涂層厚度在切削熱傳導(dǎo)降低切削溫度的作用越明顯。在單層涂層刀具研究的基礎(chǔ)上,對多層涂層刀具切削熱傳導(dǎo)展開研究。采用等效法將多層涂層刀具等效為單層復(fù)合涂層刀具,獲得等效單層復(fù)合涂層的導(dǎo)熱系數(shù)、等效熱容和等效熱擴(kuò)散系數(shù);利用單層涂層刀具前刀面溫度模型和切削熱傳導(dǎo)模型,對等效單層復(fù)合涂層刀具進(jìn)行了前刀面溫度和切削溫度的計算。結(jié)合有限元方法對多層涂層刀具和等效單層復(fù)合涂層刀具的前刀面溫度和切削溫度分布進(jìn)行了仿真,并進(jìn)行了實驗驗證。研究結(jié)果表明:將多層涂層刀具等效為單層復(fù)合涂層刀具適用于切削熱和切削溫度的研究,與切削實驗相比,誤差控制在10%以內(nèi)。本課題得到國家自然科學(xué)基金"高速硬銑削加工多層多元納米復(fù)合涂層刀具及其切削性能研究(U1201245)"和"高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備"國家科技重大專項"精密工具創(chuàng)新能力平臺建設(shè)(2015ZX04005008)"的資助。
[Abstract]:With the rapid development of advanced cutting tool technology , high - performance coating tools have become the hallmark of modern tools . The results show that the lower the thermal diffusivity of the tool coating material , the lower the cutting temperature of the coating cutter , the lower the thermal diffusivity of the tool coating material , the lower the cutting time of the coating tool .

【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】：2017
【分類號】：TG711

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前8條

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本文編號：1743190