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硬质合金刀具切削2.25CrlMo0.25V材料元素扩散及刀具失效研究

陈金国  
【摘要】:2.25Cr1Mo0.25V材料具有较高的热强度、优异的耐腐蚀性以及良好的稳定性,在石化领域煤液化装备的大型加氢反应器中被广泛应用。该材料在切削加工过程中,刀具的前刀面由于高温高压作用会引起元素在刀-屑界面发生相互扩散,导致前刀面产生变质层,该变质层会使刀具和切屑相互粘连在一起,故而将其称之为粘焊层。粘焊层不同于刀具基体,其表面硬度、晶体的表面能、晶界内聚力等物理特性均会减弱,致使前刀面易产生裂纹,从而导致刀具磨损的加剧或粘结破损的发生,刀具失效问题突出。为此,本文基于温度对硬质合金刀具前刀面元素扩散的影响特点,建立了刀屑元素扩散浓度与磨损量之间的量化关系,并结合粘焊层微观裂纹扩展三维模型和粘焊层剥离的宏观有限元模型,对刀具前刀面粘焊层剥离微观机理与宏观性能开展研究。为了研究附有粘焊层刀具在切削2.25Cr1Mo0.25V材料时前刀面温度分布规律,本文以前刀面粘焊层的构成成分为依据,通过将所确定的粘焊层等效热导系数与热传导理论相结合,建立了前刀面有无粘焊层的传热理论模型,并通过切削温度试验、数值模拟以及仿真分析等方法对模型的可行性进行了验证分析,以此为基础,研究了粘焊层的存在及其厚度对硬质合金刀具前刀面温度分布及其梯度变化的影响规律,为后续前刀面刀屑元素扩散行为的研究奠定了理论基础。以粘焊层的形成机理为依据,提出了夹紧件与焊接件在不同温度下的扩散偶实验方案,通过该实验分别模拟了粘焊的萌生和发展过程,并基于此探究了温度与粘焊层对元素扩散浓度及扩散速率的影响规律。而后,利用菲克第二定律求解出前刀面刀屑的元素浓度分布,结合半无限长模型,建立了刀屑元素扩散方程,获得了不同温度下前刀面主要元素的浓度分布规律。为进一步研究元素扩散对刀具前刀面的影响,应用体视学原理,确定了Co、WC、TiC微观结构参数,并通过Voronoi多面体来所生成的WC颗粒,结合MATLAB软件的MPT工具箱和ABAQUS软件,创建了硬质合金刀具前刀面三维结构模型,并利用Python语言编写了 Cohesive单元的本构关系,实现了硬质合金刀具前刀面三维结构裂纹扩展模型的建立,揭示了刀具前刀面不同裂纹类型及其路径的扩展规律,完成了其对拉伸强度影响规律的探究。针对硬质合金刀具前刀面的扩散磨损问题,通过刀具和工件材料在夹紧状态下的静态扩散实验,获得了刀屑元素扩散浓度基础数据,将其与切削过程中刀屑接触区的元素扩散浓度规律相结合,建立了刀具内部元素扩散磨损的理论模型,并依据刀具前刀面最大磨损量与元素浓度的关联性特征,完成了对前刀面磨损量的预测,最后,通过研究断续切削和连续切削过程中刀具前刀面粘焊层位置及受力状况,利用Cohesive单元本构模型,实现了刀具前刀面粘焊层剥离宏观仿真模型的建立及裂纹类型、载荷对其影响的相关分析。综上,本文针对硬质合金刀具切削2.25Cr1Mo0.25V材料过程中产生的元素扩散和刀具失效问题展开研究,分析了刀具前刀面的温度分布以及刀屑界面元素的浓度分布,建立了元素扩散浓度与磨损量之间的关系模型,探究了元素扩散所形成的粘焊层内裂纹扩展特性,获得了裂纹对粘焊层剥离的影响规律,对进一步揭示刀具的失效机理,提高切削刀具使用寿命,丰富和完善切削刀具设计有着重要的理论价值与现实意义。


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