新型仿生结构陶瓷刀具的研制及其切削性能

发布时间：2017-06-20 13:05

  本文关键词：新型仿生结构陶瓷刀具的研制及其切削性能，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：硬度大、熔点高、抗热震性和耐磨性好等是陶瓷刀具所拥有的优异性能,但其却有着无法忽视的缺点——脆性大,这极大地限制了陶瓷刀具的应用。为改善陶瓷刀具性能,本文研制出了新型仿生结构陶瓷刀具,并使用有限元软件分析了其残余应力及热应力,研究了其力学性能、微观组织结构以及切削性能。通过建立仿生结构陶瓷刀具的两种分析模型：材料残余应力模型与切削时层间温度与热应力模型,研究其热压烧结后残余应力分布和切削时层间温度与热应力的变化规律；探讨仿生结构在层厚比与层数对残余应力分布和层间温度与热应力变化的影响。研究结果表明：仿生结构陶瓷刀具材料制备时,在基体层可产生残余压应力,当材料的层数和层厚比增加时,残余应力的大小也随着提高：在切削过程中仿生结构陶瓷刀具层间温度与热应力的变化,随着层数和层厚比的不断增加,刀尖处首层与次层界面上的温度值与热应力值逐渐上升,而刀尖处底层与次底层界面上的温度值与最大拉应力值则逐渐下降。并根据刀具残余应力和层间温度与热应力变化的分析结果,选择了层数为三层,层厚度比为2的仿生结构作为陶瓷刀具的设计结构。采用热压烧结工艺制备了三层仿生结构陶瓷刀具试样,并测试了它的力学性能,观察和研究了其微观组织结构。分析结果表明：该仿生结构陶瓷刀具的抗断裂性能和硬度皆优于该结构表层单一材料制成的陶瓷刀具。比较分析仿生结构陶瓷刀具与同表层材料陶瓷刀具SG4连续切削淬硬45#钢棒料和淬硬T10A棒料的切削性能,并分析仿生结构陶瓷刀具的磨损形态和磨损机理。同时采用Deform-2D软件对仿生结构陶瓷刀具连续切削淬硬45#钢进行了仿真模拟。研究结果表明：仿生结构陶瓷刀具因基体层残余应力的存在,其切削性能优于单体表层材料陶瓷刀具,并且仿生结构陶瓷刀具在高速切削时其磨损形态主要表现为粘结磨损；模拟仿真结果中,仿生结构陶瓷刀具表现出更优越的热应力缓解性能。
【关键词】：仿生结构 陶瓷刀具 残余应力 层间温度 热应力
【学位授予单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG711
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 选题的背景及意义10-11
• 1.2 高速切削刀具11-13
• 1.3 仿生结构陶瓷材料研究现状13-18
• 1.3.1 仿生结构陶瓷材料的特点13
• 1.3.2 仿生结构陶瓷材料中外研究近况13-16
• 1.3.3 仿生结构陶瓷材料的研制方法16-17
• 1.3.4 仿生结构陶瓷材料的增韧机理17-18
• 1.3.5 仿生结构陶瓷刀具研究现状18
• 1.4 本课题的主要研究内容18-20
• 第2章 仿生结构陶瓷刀具有限元分析20-44
• 2.1 仿生结构陶瓷材料残余应力的产生20
• 2.2 仿生结构陶瓷刀具材料残余应力有限元分析20-22
• 2.2.1 仿生结构陶瓷刀具材料性能参数20-21
• 2.2.2 仿生结构陶瓷刀具材料模型建立和网格划分21-22
• 2.3 仿生结构陶瓷刀具材料残余应力仿真分析22-30
• 2.3.1 层数对仿生结构陶瓷刀具材料残余应力的影响22-27
• 2.3.2 层厚比对仿生结构陶瓷刀具材料残余应力的影响27-30
• 2.4 仿生结构陶瓷刀具层间温度理论基础30-31
• 2.5 仿生结构陶瓷刀具层间温度与热应力有限元分析31-32
• 2.5.1 仿生结构陶瓷刀具层间温度与热应力有限元分析流程图31-32
• 2.5.2 仿生结构陶瓷刀具模型建立和网格划分32
• 2.6 仿生结构陶瓷刀具层间温度与热应力分析32-42
• 2.6.1 层数对仿生结构陶瓷刀具层间温度与热应力的影响33-37
• 2.6.2 层厚比对仿生结构陶瓷刀具层间温度与热应力的影响37-42
• 2.7 本章小结42-44
• 第3章 仿生结构陶瓷刀具的制备及性能分析44-54
• 3.1 仿生结构陶瓷刀具材料的制备44-46
• 3.1.1 原材料及实验处理44-45
• 3.1.2 原材料制备工艺45-46
• 3.2 仿生结构陶瓷刀具材料的物理力学性能分析46-49
• 3.2.1 密度测试46-47
• 3.2.2 抗弯强度测试47
• 3.2.3 硬度和断裂韧性测试47-48
• 3.2.4 测试结果与分析48-49
• 3.3 仿生结构陶瓷刀具材料的XRD分析49-50
• 3.4 仿生结构陶瓷刀具材料的显微结构分析50-52
• 3.4.1 断口形貌分析50-51
• 3.4.2 裂纹扩展分析51-52
• 3.5 仿生结构陶瓷刀具的制备52
• 3.6 本章小结52-54
• 第4章 仿生结构陶瓷刀具切削性能研究54-68
• 4.1 连续切削淬硬45~54-58
• 4.1.1 试验条件54-55
• 4.1.2 刀具切削性能分析55-57
• 4.1.3 刀具磨损形态与机理分析57-58
• 4.2 连续切削淬硬T10A棒料58-61
• 4.2.1 试验条件58-59
• 4.2.2 刀具切削性能分析59-61
• 4.2.3 刀具磨损形态与机理分析61
• 4.3 仿生结构陶瓷刀具的切削性能仿真研究61-67
• 4.3.1 仿生结构陶瓷刀具切削仿真研究流程图63
• 4.3.2 仿生结构陶瓷刀具切削仿真模型建立及边界条件63-64
• 4.3.3 仿生结构陶瓷刀具切削仿真结果研究64-67
• 4.4 本章小结67-68
• 第5章 结论68-70
• 参考文献70-74
• 致谢74-75
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文和成果75

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