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Vit1块体金属玻璃的切削性能研究

张卫国  
【摘要】:Zr基块体金属玻璃(Zr-based bulk metallic glasses, Zr-based BMGs)具有高强度、高硬度、高断裂韧性、较低的热膨胀系数、较低的密度、良好的耐腐蚀性和抗高能粒子辐射等优异的力学性能和理化性能,使其成为一种极具应用潜力的新型功能和结构材料。但Zr基块体金属玻璃的一个本质弱点是室温脆性。高硬度和室温脆性给Zr基块体金属玻璃的机械加工带来了极大的难度,本文以Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5块体金属玻璃(以下简称为Vit1BMGs)为对象,对其切削性能及其相关影响因素进行了系统的分析和研究。 通过实验测试和模拟计算相结合的方法,在三种不同切削速度(v)、不同切削深度(a_p)和不同进给量(f)的实验条件下,研究了Vit1BMGs切削温度的形成及其对加工表面非晶态结构的影响。在v=1.06m/s,a_p=0.3mm,f=0.12mm/r条件下,测得WC-Co硬质合金刀具、PCBN和PCD刀具在刀-屑接触区的温度分别为535.5℃,470.1℃和437.3℃。使用硬质合金刀具切削的加工表面质量可以达到精加工表面粗糙度的要求。对加工表面和切屑的组织结构分析发现,在给定的实验条件下Vit1BMGs的加工表面和切屑断面均没有发生晶化,显示了良好的切削加工性能。 虽然Vit1BMGs在室温显示脆性,但在切削过程中由于切削热而导致加工表面和切屑的温度升高使得脆性减弱,这对加工性能和切屑的形成与变形都产生重要影响。切削速率是切削热的重要影响因素。当v=1.06,0.50,0.25m/s,=0.3mm,f=0.12mm时,形成的切屑均为由剪切薄带搭接而成的连续状切屑。 根据主切削力的大小,计算了薄片切屑单元的温升。当v=1.06,0.50,0.25m/s,a_p=0.3mm, f=0.12mm时,薄片切屑单元的温升分别为823℃,625℃,531℃。切屑温度的高低,直接影响切屑的形成和变形。在适当温度下形成切屑,有利于提高表面加工精度。 采用硬质合金刀具在不同工艺参数(切削速度、切削深度和进给量)条件下,通过三因素、三水平正交实验,研究了工艺参数对切削力和加工表面粗糙度的影响。结果显示,切削深度对切削力的影响大于进给量的影响,切削速度影响最小;每转进给量对加工表面粗糙度的影响大于切削速度的影响,切削深度影响最小。 对切削刀具的摩擦磨损行为研究显示,当切削深度和进给量一定时,切削速度对硬质合金刀具的磨损影响较大。高速切削时产生的切削温度较高,导致刀具与加工表面或切屑的粘结,造成刀具热软化使切削刃发生变形和塌陷,加剧了前刀面的磨损。当控制切削参数为v=1.06m/s,a_p=0.2mm和f=0.08mm时,可有效降低刀具的磨损,获得好的表面加工精度。 用热电偶测量了钻削Vit1BMGs过程的温度变化。当钻速为200r/min和2000r/min时,钻削热温度为164.5℃和371.5℃。钻削热的产生对孔壁的表面精度和钻头的磨损都有重要影响。当选择的进给量为0.04-0.06mm/r时,钻孔的表面质量随钻削速度的降低而提高。当钻削速度为2000r/min,此时产生的钻削温度导致孔壁软化变形、钻孔表面粗糙,并在钻孔口处产生熔融钻屑和毛刺;当钻削速度低于800r/min时,钻孔的表面精度得到了显著的提高。


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