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基于钛合金高速铣削刀具失效演变的硬质合金涂层刀具设计与制造

李安海  
【摘要】:由于密度小、强度/重量比高、高温稳定性好以及耐腐蚀性好等特点,钛合金被广泛应用于航空航天领域。但因钛合金低的导热性、高的化学活性以及弹性模量小等特点,使其切削加工性差、刀具寿命低,被公认为难加工材料,这限制了切削速度和生产率的提高。本文以钛合金高速铣削刀具失效演变对硬质合金涂层刀具性能的要求为指导和依据,以高性能硬质合金刀具材料设计、刀具结构设计和刀具涂层设计为核心,对硬质合金涂层刀具设计理论与方法进行了深入研究和探讨,最终研制成功适用于钛合金型面侧壁铣削的整体硬质合金涂层立铣刀,并研究了其切削性能。 对高速铣削切屑形貌进行了多视角表征,研究了高速铣削钛合金Ti-6Al-4V时切屑自由表面、背面和纵截面的形貌特征及其参数变化规律;通过锯齿形切屑剪切带微观组织分析,揭示了锯齿形切屑形成的绝热剪切机理(热塑性剪切失稳),发现了切屑背面层组织的衍射峰宽化效应。研究了不同切削条件下铣削Ti-6Al-4V时的刀具失效演变过程,以及切削力和切削温度的变化规律,分析了刀具失效演变过程中刀具不同部位(前、后刀面)和不同失效阶段的刀具失效形貌。揭示了高速切削热—力—化学多场强作用下刀具由微观损伤到宏观失效的演变机制,刀具失效机理主要为涂层剥落、磨粒磨损、粘结磨损、氧化磨损、扩散磨损和热—机械疲劳的综合作用。从而对刀具性能提出了以下要求:刀具材料和涂层材料应与钛合金具有良好的化学相容性;刀具材料应具有较好的耐磨性和抗疲劳性能;应提高涂层与刀具基体的界面结合力,以避免涂层过早剥落,采用耐高温的涂层材料以保护刀具基体。 基于钛合金高速铣削刀具失效演变对刀具材料的性能要求,通过研究硬质合金刀具材料与工件材料的化学相容性和摩擦学匹配性,并建立WC-Co硬质合金刀具材料微观结构参数(Co含量、平均晶粒度和WC晶粒邻接度等)与宏观性能之间的关系,从而对钛合金高速铣削用硬质合金刀具材料进行了设计。结果表明,Co含量为10wt.%的亚微细晶粒硬质合金(平均晶粒度为0.6-0.8μm)盘与钛合金球对磨时,可获得较小的摩擦系数和较好的耐磨性。基于UG平台二次开发了整体硬质合金立铣刀参数化设计和二维图绘制及生成软件,实现了对整体立铣刀的计算机辅助快速设计。利用整体硬质合金立铣刀切削钛合金工件材料的三维铣削有限元仿真,以低的切削力和切削温度为目标,优化了螺旋角、刀具前角和刀齿数等刀具结构和刀刃儿何参数。采用直径20mm的整体硬质合金平头立铣刀铣削钛合金时,主要刀具结构和刀刃几何参数优化结果为:芯部直径为12mm、齿数为4齿、螺旋角为44°以及侧刃前角为9°。 烧结制备并测试表征了不同Co含量和晶粒尺寸的硬质合金刀具材料,研究了其制备工艺、微观结构和力学性能,以及抗机械疲劳性能,验证了材料设计的合理性。硬质合金断裂主要为脆性断裂,断裂方式主要为沿晶断裂和少数WC晶粒的穿晶断裂的混合模式。晶粒细化提高了硬质合金材料硬度和横向断裂强度,但以降低断裂韧度为代价;高Co含量硬质合金的横向断裂强度和断裂切度有所提高,但硬度较低。采和三点弯曲试样研究了硬质合金刀具材料的机械疲劳行为,结果表明,疲劳断裂通常起源于缺口尖端的不均匀缺陷,如微孔洞或粗大WC晶粒处,低Co含量硬质合金由于韧性较差,其疲劳行为主要取决于横向断裂强度,高Co含量硬质合金的断裂韧度是影响其抗疲劳性能的主要因素。 为减少涂层在刀具失效过程中的剥落现象,提出硬质合金刀具涂层设计方法,基于复合涂层性能参数等效理论建立了复合涂层沉积过程残余热应力产生模型,并将计算结果与有限元仿真结果进行了对比验证,为难加工材料高速切削刀具涂层选择与设计提供理论依据。刀具涂层厚度选择3μm时,在涂层沉积过程中可获得较小的残余热应力。研究了CrN、TiN、TiAlN、AlTiN和AlCrN五种涂层的硬质合金盘与钛合金球的摩擦学匹配特性。结果表明,TiAlN涂层与钛合金对磨时可获得较小的摩擦系数和较好的耐磨性。提出了高速铣削刀具涂层设计的基本原则,为高速铣削刀具涂层的设计提供了依据。 研究了所研制的整体硬质合金立铣刀高速铣削钛合金切切削性能,并将其与某同类刀具进行了切削对比试验,其切削力低于该同类刀具,切屑形成和刀具寿命都优于该同类刀具。


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