EA4T车轴深孔钻削切屑形态及刀具磨损的研究

发布时间：2019-03-18 20:59

【摘要】：EA4T因具有较高的强度、韧性和抗疲劳强度，是高速空心车轴广泛采用的一种材料。目前高铁、地铁和动车组等高速列车在我国及全球范围蓬勃发展，对高品质空心车轴的需求剧增。空心车轴深孔加工的质量和效率很大程度上决定了车轴的生产效率和加工成本。EA4T的高效深孔钻削技术及相关钻削理论的研究受到了业界足够地重视。本文以TiN涂层硬质合金BTA深孔钻钻削EA4T车轴工艺为研究对象，从深孔钻削模型及钻削力、深孔切屑形态学及刀具磨损等方面开展相关研究，主要研究内容与结论如下：（1）深孔钻削模型及钻削力的研究。建立深孔BTA钻削模型，分析了考虑切削弯矩、刀具钝圆半径和刀具磨损等的正交钻削模型，进行了切削力及相关参量的理论计算。研究了错齿BTA钻的总体受力，根据静力学平衡原理，结合微刃力学分析切削模型，建立了考虑工件材料耦合刀具结构、切削用量及刀具磨损等多参量影响的钻削力及转矩的基本方程，并进行了仿真及试验研究。（2）深孔切屑形态学的研究。为了构建深孔切屑形态学的基本评价指标体系，反映深孔切屑的形态特征、变形特征和断屑特征。本文通过EA4T、40CrMoA深孔钻削试验，研究钻削条件对深孔切屑形态的影响规律；用切屑宽度、切屑长度及曲率半径等指标，可准确区分切屑的来源；用切屑压缩比、切屑断屑率、切屑的容屑系数和切屑曲率半径等指标定量的评价切屑形态与钻削条件的基本规律，初步建立了深孔切屑形态学的基本评价指标体系。推导了切屑压缩率、切屑断屑率、切屑容屑系数和切屑曲率半径等与切削用量之间的关系。依据最大应变理论，研究了切屑折断的条件，建立了基于深孔切屑形态评价指标的断屑条件。最后依据切屑断屑率指标提出EA4T深孔加工的最佳钻削条件。分析了影响断屑的因素，阐述了深孔钻削中切屑的控制方法，在工件材料和刀具参数一定的情况下，匹配合理的切削速度和进给量是保证理想切屑形态的关键因素。（3）BTA钻头磨损特征及磨损机理的研究。基于扩散理论和层剥理论，通过深孔钻削EA4T的刀具磨损试验，分析了错齿BTA钻和单齿BTA钻的磨损特征，研究了错齿BTA钻三个刀齿的磨损形态特征及磨损机理。边齿、中间齿和中心齿的的磨损特征为：边齿后刀面以带状磨损和边界磨损为主，前刀面以啃洼磨损为主要特征，刀具的失效以刀尖处涂层剥落、崩刃为主；中间齿的典型磨损特征是积屑瘤，粘结磨损突出；中心齿以边界磨损为主，特别是刀尖处由于存在零速切削出现剧烈的边界磨损，甚至出现碎裂、崩刃和脆断等刀具失效特征。对刀具前、后刀面的磨损部位用扫描电镜和能谱进行分析发现，中心齿、边齿和中间齿的前刀面上都出现了啃洼磨损形态；啃洼部位元素扩散活跃，磨损机理是以扩散为主，粘结和磨粒磨损同时起作用的结果，，磨损较严重，而位于两侧啃洼的中间部位则是以粘结磨损为主；后刀面磨损带主要出现的是粘结磨损、磨粒磨损和微崩刃；刀尖部位的边缘磨损严重，三个刀齿的刀尖均出现了严重的破损，导致刀具的失效。（4）TiN涂层BTA钻头分段磨损研究。TiN涂层存在时是BTA钻头第一磨损阶段，是刀具的主要工作阶段，磨损原因是Ti和N元素的扩散流失；TiN涂层消失后是BTA钻头第二磨损阶段，刀具磨损剧烈，会在短期内造成刀具失效，主要磨损原因是硬质合金刀具基体与工件之间的扩散磨损和粘结磨损共同作用的结果。通过不同切削条件对刀具磨损的试验研究得到：①切削速度比进给量对刀具磨损的影响更显著；②单齿BTA钻比错齿BTA钻的刀具磨损及破损更严重，刀具切削稳定性差；③TiN涂层可显著的提高刀具的耐用度。通过对刀具磨损率的理论研究，建立了不同温度范围刀具磨损率预测模型。
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【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG52

【参考文献】