基于抗疲劳裂纹扩展的二维梯度陶瓷刀具研制与切削性能研究
发布时间：2020-12-18 08:19
随着现代工业的迅速发展,各种高硬高强度的零件越来越多地被采用,并且零件的表面大多数不连续,传统的车削技术难以胜任对高硬度材料的断续车削,而刀具材料是制约断续硬车削加工技术发展的瓶颈,因此研制适合高速断续切削的高性能刀具对于推动现代制造业的发展具有重要意义。本文以高速断续车削淬硬钢20CrMnTi刀具失效机理为依据,进行梯度陶瓷刀具材料设计和二维梯度刀具结构设计,对二维梯度刀具结构与烧结工艺进行优化,研制二种适用于在不同切削参数下断续车削的二维梯度陶瓷刀具,并研究宄刀具的断续切削性能。通过陶瓷刀具断续切削淬硬钢实验,结果表明:刀具的主要失效机理为热-机械疲劳损伤。在较大的切削速度下,热载荷作用使刀具的损伤加剧,此时热疲劳是主宰刀具寿命的主要因素,因此刀具上刀-屑接触区破损;而在高进给量下断续切削时,由于刀具承受更高的冲击力,其主要失效机理为机械疲劳,因此前刀面发生较大面积的贝壳状的疲劳断裂。在切削仿真的基础上,进行低周疲劳模拟,结果发现:在断续切削时,刀具受到循环变化的载荷作用,刀具前刀面容易出现疲劳裂纹。因此,满足断续切削淬硬钢的刀具性能要求为:用于高速切削的刀具应具有较高的硬度和抗热...
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：142 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１论文的总体框架??
采用淬硬钢（２０ＣｒＭｎＴｉ，表面淬火硬度５８－６２ＨＲＣ）作为工件材料。工件材??料的硬化层深度约１毫米。淬硬钢２０ＣｒＭｎＴｉ的成分和物理力学性能齊数分别如??表２－１和表２－２所示。实验设备布局如图２－１所示。如图２－１?（ａ）所示，断续车??削淬硬钢在ＣＫＤ６１５０Ｈ数控（ＣＮＣ）机床上进行，使用Ｋｉｓｔｌｅｒ?９２６５型测力仪测量??各切削分力，切削力分量瞬时值通过多通道电荷放大器放大后，经信号分析软件??采集并记录。为了减少测量误差，采用１０个测量值的平均值作为切削力。采用??红外热像仪（ＮＥＣ?Ｓａｎｅｉ?Ｃｏ．?Ｌｔｄ．，Ｔｏｋｙｏ）拍摄０．５ｍ远处的切削区的温度，取所拍??摄的切削区温度图像中的最高温度值作为切削温度。如图２－１?（ｂ）所示，将工件??材料沿周向均匀装夹在夹具上，共有４条１６ｍｍ宽的条状工件材料。切削时间是??空切时间的０．１９３倍左右。??表２－１?２０ＣｒＭｎＴｉ的
２．２．１刀具磨损和刀具寿命??刀具寿命是指某切削参数下多次断续切削试验时刀具达到失效标准时的总??冲击次数的平均值。如图２－２（ａ）所示为在进给量／＝０．１ｍｍ／ｒ下，后刀面最大磨??损量随冲击次数的增加而增大。随着切削速度的增大，切入时冲击力较大，刀具??寿命减小。当ｖｃ?＝?７０ｍ／ｍｉｎ，／＝０．１ｍｍ／ｒ，ａｐ?＝?０．１ｍｍ时刀具寿命最长。图２－??２（ｂ）为在／＝?０．２５?ｍｍ／ｒ下，后刀面最大磨损量随冲击次数的增加的关系。当速度??ｖｃ＝?１５０?ｍ／ｍｉｎ时，刀具寿命最长。这是因为在断续切削淬硬钢时，随切削速度??增大，切削温度升高，工件材料软化明显，因此工件的抗剪强度和刀－屑接触面的??摩擦系数相应降低，从而导致刀具寿命提高［１Ｇ４，１（）５］。随着切削速度升高到１５０??ｍ／ｍｉｎ以上，切削温度进一步升高，降低了刀具的强度；另一方面，较高的热应??力也减少了刀具寿命［１（）６
【参考文献】：
期刊论文
[1]Frequency-dependent random fatigue of panel-type structures made of ceramic matrix composites[J]. Yadong Zhou,Xiaochen Hang,Shaoqing Wu,Qingguo Fei,Natasa Trisovic. Acta Mechanica Solida Sinica. 2017(02)
[2]Wear Behavior of Cold Pressed and Sintered Al2O3/TiC/CaF2-Al2O3/TiC Laminated Ceramic Composite[J]. Xuefeng YANG,Jian CHENG,Peilong SONG,Shouren WANG,Liying YANG,Yanjun WANG,Ken MAO. Acta Metallurgica Sinica(English Letters). 2013(02)
[3]金属陶瓷刀具材料的发展和应用[J]. 马丽林,刘滨,于启勋,付铁. 航空制造技术. 2008(07)
[4]Al2O3/（W,Ti）C纳米复合陶瓷材料的力学性能与强韧化机理[J]. 周咏辉,艾兴,赵军,袁训亮,薛强. 山东大学学报(工学版). 2008(01)
[5]MULTI-SCALE AND MULTI-PHASE NANOCOMPOSITE CERAMIC TOOLS AND CUTTING PERFORMANCE[J]. HUANG Chuanzhen LIU Hanlian School of Mechanical Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China WANG Jun School of Mechanical and Manufacturing Engineering,The University of New South Wales,Sydney,NSW2052,Australia WANG Hui School of Mechanical Engineering,Shandong University,Jinan 250061.China. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2007(05)
[6]氧化锆陶瓷室温循环疲劳行为研究[J]. 李春光,司文捷. 稀有金属材料与工程. 2007(S1)
[7]高速硬切削技术及刀具的合理选择[J]. 李忠科,张宇,张春飞,刘义. 工具技术. 2007(01)
[8]Ti(C,N)基金属陶瓷合金成分与性能研究进展[J]. 王洪涛,熊惟皓. 粉末冶金工业. 2006(04)
[9]纳米改性金属陶瓷刀具材料最佳纳米粉添加量的研究[J]. 谢峰,刘宁,张崇高,杨海东. 中国机械工程. 2005(15)
[10]Al2O3/TiC纳米复合刀具材料的力学性能与增韧强化机理[J]. 宋世学,艾兴,赵军,吴齐. 机械工程材料. 2003(12)
博士论文
[1]基于热—力—微观组织耦合的钛合金铣削刀具失效机理研究[D]. 王福增.山东大学 2016
[2]新型Ti(C,N)基复合金属陶瓷刀具及其高温抗弯强度研究[D]. 刘玥.山东大学 2015
[3]Si3N4/（W,Ti）C/Co梯度纳米复合陶瓷刀具的研制及其切削性能研究[D]. 田宪华.山东大学 2015
[4]高速切削用陶瓷刀具多尺度设计理论与切削可靠性研究[D]. 殷增斌.山东大学 2014
[5]Al2O3基微纳复合陶瓷刀具材料及其切削性能研究[D]. 刘维民.山东大学 2013
[6]高速断续切削淬硬钢刀具失效机理研究[D]. 崔晓斌.山东大学 2013
[7]WC-Al2O3纳米复合粉末制备及烧结技术研究[D]. 瞿海霞.东华大学 2013
[8]Sialon-Si3N4梯度纳米复合陶瓷刀具的研制及高速切削性能研究[D]. 郑光明.山东大学 2012
[9]Al2O3基梯度纳米复合陶瓷刀具的研制及切削性能研究[D]. 李艳征.山东大学 2011
[10]Al2O3基纳米复合陶瓷刀具材料的研制及切削性能研究[D]. 周咏辉.山东大学 2009
硕士论文
[1]Al2O3/TiC/WC纳米复合陶瓷刀具的研制及切削性能[D]. 袁训亮.山东大学 2008
本文编号：2923687
【文章来源】：山东大学山东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：142 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１－１论文的总体框架??
采用淬硬钢（２０ＣｒＭｎＴｉ，表面淬火硬度５８－６２ＨＲＣ）作为工件材料。工件材??料的硬化层深度约１毫米。淬硬钢２０ＣｒＭｎＴｉ的成分和物理力学性能齊数分别如??表２－１和表２－２所示。实验设备布局如图２－１所示。如图２－１?（ａ）所示，断续车??削淬硬钢在ＣＫＤ６１５０Ｈ数控（ＣＮＣ）机床上进行，使用Ｋｉｓｔｌｅｒ?９２６５型测力仪测量??各切削分力，切削力分量瞬时值通过多通道电荷放大器放大后，经信号分析软件??采集并记录。为了减少测量误差，采用１０个测量值的平均值作为切削力。采用??红外热像仪（ＮＥＣ?Ｓａｎｅｉ?Ｃｏ．?Ｌｔｄ．，Ｔｏｋｙｏ）拍摄０．５ｍ远处的切削区的温度，取所拍??摄的切削区温度图像中的最高温度值作为切削温度。如图２－１?（ｂ）所示，将工件??材料沿周向均匀装夹在夹具上，共有４条１６ｍｍ宽的条状工件材料。切削时间是??空切时间的０．１９３倍左右。??表２－１?２０ＣｒＭｎＴｉ的
２．２．１刀具磨损和刀具寿命??刀具寿命是指某切削参数下多次断续切削试验时刀具达到失效标准时的总??冲击次数的平均值。如图２－２（ａ）所示为在进给量／＝０．１ｍｍ／ｒ下，后刀面最大磨??损量随冲击次数的增加而增大。随着切削速度的增大，切入时冲击力较大，刀具??寿命减小。当ｖｃ?＝?７０ｍ／ｍｉｎ，／＝０．１ｍｍ／ｒ，ａｐ?＝?０．１ｍｍ时刀具寿命最长。图２－??２（ｂ）为在／＝?０．２５?ｍｍ／ｒ下，后刀面最大磨损量随冲击次数的增加的关系。当速度??ｖｃ＝?１５０?ｍ／ｍｉｎ时，刀具寿命最长。这是因为在断续切削淬硬钢时，随切削速度??增大，切削温度升高，工件材料软化明显，因此工件的抗剪强度和刀－屑接触面的??摩擦系数相应降低，从而导致刀具寿命提高［１Ｇ４，１（）５］。随着切削速度升高到１５０??ｍ／ｍｉｎ以上，切削温度进一步升高，降低了刀具的强度；另一方面，较高的热应??力也减少了刀具寿命［１（）６
【参考文献】：
期刊论文
[1]Frequency-dependent random fatigue of panel-type structures made of ceramic matrix composites[J]. Yadong Zhou,Xiaochen Hang,Shaoqing Wu,Qingguo Fei,Natasa Trisovic. Acta Mechanica Solida Sinica. 2017(02)
[2]Wear Behavior of Cold Pressed and Sintered Al2O3/TiC/CaF2-Al2O3/TiC Laminated Ceramic Composite[J]. Xuefeng YANG,Jian CHENG,Peilong SONG,Shouren WANG,Liying YANG,Yanjun WANG,Ken MAO. Acta Metallurgica Sinica(English Letters). 2013(02)
[3]金属陶瓷刀具材料的发展和应用[J]. 马丽林,刘滨,于启勋,付铁. 航空制造技术. 2008(07)
[4]Al2O3/（W,Ti）C纳米复合陶瓷材料的力学性能与强韧化机理[J]. 周咏辉,艾兴,赵军,袁训亮,薛强. 山东大学学报(工学版). 2008(01)
[5]MULTI-SCALE AND MULTI-PHASE NANOCOMPOSITE CERAMIC TOOLS AND CUTTING PERFORMANCE[J]. HUANG Chuanzhen LIU Hanlian School of Mechanical Engineering,Shandong University,Jinan 250061,China WANG Jun School of Mechanical and Manufacturing Engineering,The University of New South Wales,Sydney,NSW2052,Australia WANG Hui School of Mechanical Engineering,Shandong University,Jinan 250061.China. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2007(05)
[6]氧化锆陶瓷室温循环疲劳行为研究[J]. 李春光,司文捷. 稀有金属材料与工程. 2007(S1)
[7]高速硬切削技术及刀具的合理选择[J]. 李忠科,张宇,张春飞,刘义. 工具技术. 2007(01)
[8]Ti(C,N)基金属陶瓷合金成分与性能研究进展[J]. 王洪涛,熊惟皓. 粉末冶金工业. 2006(04)
[9]纳米改性金属陶瓷刀具材料最佳纳米粉添加量的研究[J]. 谢峰,刘宁,张崇高,杨海东. 中国机械工程. 2005(15)
[10]Al2O3/TiC纳米复合刀具材料的力学性能与增韧强化机理[J]. 宋世学,艾兴,赵军,吴齐. 机械工程材料. 2003(12)
博士论文
[1]基于热—力—微观组织耦合的钛合金铣削刀具失效机理研究[D]. 王福增.山东大学 2016
[2]新型Ti(C,N)基复合金属陶瓷刀具及其高温抗弯强度研究[D]. 刘玥.山东大学 2015
[3]Si3N4/（W,Ti）C/Co梯度纳米复合陶瓷刀具的研制及其切削性能研究[D]. 田宪华.山东大学 2015
[4]高速切削用陶瓷刀具多尺度设计理论与切削可靠性研究[D]. 殷增斌.山东大学 2014
[5]Al2O3基微纳复合陶瓷刀具材料及其切削性能研究[D]. 刘维民.山东大学 2013
[6]高速断续切削淬硬钢刀具失效机理研究[D]. 崔晓斌.山东大学 2013
[7]WC-Al2O3纳米复合粉末制备及烧结技术研究[D]. 瞿海霞.东华大学 2013
[8]Sialon-Si3N4梯度纳米复合陶瓷刀具的研制及高速切削性能研究[D]. 郑光明.山东大学 2012
[9]Al2O3基梯度纳米复合陶瓷刀具的研制及切削性能研究[D]. 李艳征.山东大学 2011
[10]Al2O3基纳米复合陶瓷刀具材料的研制及切削性能研究[D]. 周咏辉.山东大学 2009
硕士论文
[1]Al2O3/TiC/WC纳米复合陶瓷刀具的研制及切削性能[D]. 袁训亮.山东大学 2008
本文编号：2923687
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