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纳米硬质合金刀具材料的ELID磨削机理及其切削性能研究

郐吉才  
【摘要】:纳米硬质合金具有比普通硬质合金更高的硬度、强度及韧性,在需要高耐磨性及强度的模具、工具、切削刀具(如微小刀具)等领域具有广泛的应用前景。目前关于纳米硬质合金的研究热点主要集中于纳米粉体制备技术、喷涂技术、纳米块体烧结技术以及和应用有关的材料摩擦磨损性能、刀具切削性能研究等方面,而对纳米硬质合金材料实用化需要解决的精密加工机理及工艺技术的研究相对较少。因此,研究纳米硬质合金的精密加工技术,对促进纳米硬质合金材料的实用化、扩大其应用范围具有十分重要的意义。 在线电解修整(Electrolytic In-process Dressing, ELID)磨削技术是近年发展起来的一种新的超精密磨削技术,利用在线电解技术在砂轮表面形成氧化膜,从而实现砂轮在线修整。其中,砂轮表面氧化膜的性能对磨削过程及磨削表面质量有至关重要的影响。ELID磨削技术适于硬脆材料等难加工材料的精密磨削,用ELID磨削技术磨削硬质合金取得了很好效果,因此,本文应用ELID磨削技术来进行纳米硬质合金精密磨削技术的研究。 本文在分析ELID磨削技术国内外研究进展的基础上,研究了ELID磨削砂轮表面氧化膜厚度、磨粒接触刚度计算模型,并进一步研究了纳米硬质合金ELID磨削机理;在综述纳米硬质合金材料及加工技术国内外研究进展的基础上,研究了纳米硬质合金刀具摩擦磨损性能及其切削性能。 第一,对ELID磨削砂轮表面氧化膜厚度、磨粒接触刚度进行了系统研究。建立了脉冲电解条件下氧化膜厚度计算模型,并进行了仿真与实验验证,从脉冲电解能力这一新角度揭示了ELID磨削砂轮非线性电解的原因;建立了氧化膜中磨粒接触刚度计算模型并进行了仿真分析与实验验证,模型反映了氧化膜中磨粒接触刚度随磨削条件的变化,揭示了ELID磨削砂轮氧化膜自适应磨削过程的规律。 第二,在氧化膜性能研究基础上,基于最小切削厚度理论研究了纳米硬质合金ELID磨削表面微观形貌形成机理。对最小切削厚度进行了理论分析与仿真,研究了ELID磨削锋锐磨粒微切削机理及钝化磨粒的挤压机理,并进行了仿真与实验验证;研究了纳米硬质合金的ELID磨削机理,由于纳米硬质合金硬度较高,磨削力较大,砂轮氧化膜弹性变形较大,从而实际磨削深度减小,同时由于由于氧化膜刚度的影响,氧化膜包含钝化磨粒,产生纳米挤压作用,使得纳米硬质合金ELID磨削后表面粗糙度较好。 第三,研究了纳米硬质合金材料的摩擦磨损性能。首先利用球盘式摩擦磨损试验机研究了纳米硬质合金的摩擦系数、耐磨损性,然后利用SEM观察了磨损表面,研究了磨损机理。研究表明,随晶粒度减小,纳米硬质合金摩擦系数有降低的趋势;纳米硬质合金耐磨性随钴含量增加而降低,随钴含量不同,磨损机理显著不同,WC-7Co表现为晶粒脱落,WC-10Co表现为塑性流动。 第四,应用ELID磨削技术,制备新型纳米硬质合金刀具,并从刀具锋锐度、刀具磨损速率等几个角度对其切削性能进行了综合评价。首先利用ELID磨削技术对切削刃口进行了精密磨削,利用原子力显微镜(AFM)对刃口半径进行了研究;然后利用所研制的纳米硬质合金刀具对白口铸铁、铝基复合材料进行了切削试验,实测了刀具磨损速率,并建立了刀具磨损速率计算模型,对模型进行了初步的仿真与实验分析。研究表明,建立的刀具磨损速率模型预测的后刀面磨损宽度与实验结果相符,表明此模型在实验范围内可以较准确的预测后刀面磨损宽度。


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