聚晶金刚石小直径刀具失效的模拟与实验研究

【摘要】：随着材料科学的不断发展，大量新型材料广泛的应用于生物医学、航空航天、钻探等领域。高强度、高硬度的新型材料的应用促使了聚晶金刚石刀具材料的发展和使用。相比传统刀具，微小直径聚晶金刚石刀具由于尺寸小，切削加工中磨损、崩刃失效现象对于加工精度和加工质量会产生更为显著的影响。本文结合微观和宏观两个方面研究了聚晶金刚石小直径刀具的失效行为，为改善微小直径刀具的设计和提高微小直径刀具切削加工质量提供理论支持，并奠定技术基础。本课题的研究内容如下： 采用有限元软件建立了二维微纳压痕有限元模型，运用二维离散位错动力学与有限元耦合的方法，研究了聚晶金刚石在不同颗粒度、不同压头作用位置、不同金刚石颗粒体积含量下的位错分布情况；分析了裂纹长度对于裂纹尖端应力强度因子的影响，并得到裂纹尖端的位错云图；探讨了微纳压痕中偏置裂纹的动态扩展规律。 采用有限元软件，建立了聚晶金刚石刀具三维动态铣削模型，进行了铣削加工过程的数值模拟，研究了刀具三向受力特点及刀具表面受力分布情况；基于Archard磨损模型，使用刀具表面最大磨损深度来标度刀具的磨损情况，研究了聚晶金刚石小直径铣刀在不同铣削加工条件下刀具的磨损规律。 采用微纳压痕实验研究了不同颗粒度聚晶金刚石材料的力学性能，分析了不同颗粒度聚晶金刚石材料及不同压痕压力下的压痕形貌；通过铣削加工实验，分析了刀具的前刀面磨损及刀具的崩刃失效现象，初步验证了仿真分析的正确性。