硬质合金刀具切削筒节材料刀屑接触区元素扩散特性研究

发布时间：2020-05-30 10:50

【摘要】：硬质合金刀具切削加工筒节材料过程中普遍会出现粘焊(表现为“粘刀”现象),并随着切削过程的继续,刀具发生破损,进而对刀具加工、性能产生影响。针对这一问题,本文在国家自然科学基金“重型切削中硬质合金前刀面粘焊层损伤机理研究”(课题编号:51575146)资助下,开展了切削筒节材料(2.25Cr-1Mo-0.25V)实验,分析粘焊形成过程,建立切削过程中刀屑接触区域的扩散方程,预测接触区的浓度分布,并结合产生破损刀具的微观形貌,分析前刀面的断裂方式,为改善刀具抗粘结破损性能提供依据。首先,为了获取在不同的切削条件下产生粘焊的试样,搭建切削实验平台,并结合显微硬度分析、超景深观测和扫描电镜观察,获得刀屑粘焊产生的切削条件;通过切削过程中的力热数据及前刀面微观表面形貌分析,分析粘焊的形成过程,获得粘焊产生的力热条件,为后续扩散模型的参数设置提供依据。其次,根据刀屑粘焊形成过程分析,得到刀工接触区发生扩散的微观机制;结合菲克第二定律,建立含有未知参数的元素扩散浓度方程,采用五点频率法得到不同元素的扩散系数,确定元素扩散理论模型的最终形式;通过对切削加工过程中产生粘焊的刀具进行能谱扫描,得到不同元素的浓度分布,并与方程理论计算所得曲线进行对比,验证模型的正确性。再次,采用分子动力学软件,结合碳化钨(WC)微观结构,分别建立硬质合金(WC-Co结构)和筒节材料(以Fe为基体的钢结构)的简化模型,并进行动力学分析,得到其动力学分析过程中的温度、能量变化和模型扩散后的结构,分析了接触区扩散特性;分析扩散后刀具侧微观结构局部放大图,观测到基体中孔洞的产生,随着扩散进程的继续,孔洞通过吸收周围空位,更容易造成裂纹形核和扩展。最后,通过裂纹尖端应力场和位移场分析,确定裂纹尖端塑性区的存在,同时结合刀具的微观结构,分析裂纹形核的两种途径:初始裂纹处的形核和异相界面上的形核。结合材料的微观断口形貌,分析具有粘结的前刀面的微观结构,确定其破坏的主要方式,为改善硬质合金性能、制备以浓度梯度为特征的新型硬质合金提供依据。
【图文】：

装置 YT15 的硬质合金刀具和筒节材料 2如表 2-1 所示。表 2-1 2.25Cr-1Mo-0.25V 钢主要化学成分 Main chemical composition of 2.25Cr-1Mo-化学成分(%)C Si Mn Cr Ni 14 0.1 0.5 2.5 0.1 床上进行，为了便于观测，设计出一使用瑞士 Kstler 公司生产的切削力采ermovisionA40M 的红外线热像仪对刀录切削过程中刀屑之间的接触状态，进行实时拍摄。

a) 超景深显微镜 b) 扫描电镜图 2-2 测量仪器Fig.2-2 Measuring instrument验参数的选择切削过程中由于氧化皮、砂眼、凹陷等的存在，切削时基态，切削用量大，切削过程并不稳定，其振动较大，所受为了更切合实际工况，在工件表面开一通槽，当刀具在通大，较易导致刀具破损；当刀具切出时，切屑容易残留在尽快产生粘焊，缩短实验时间，采用大的切削参数，同时削参数的选择范围为：转速为 80~160r/min，增量为 40~0.3mm/r，增量为 0.1mm/r；切削深度为 1~3mm，增量同样计实验，，在不同切削条件下切削筒节材料，获得产生粘焊结果
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG711

【参考文献】

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本文编号：2688022