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基于刀具裂纹扩展路径的斜向梯度陶瓷刀具的设计与制备

宫峰  
【摘要】:淬硬钢由于具有极高的强度以及良好的耐磨性,因此被广泛应用于模具制造以及高端装备制造等行业中。然而淬硬钢的硬度高、塑性差,并且其加工方式往往为断续切削,刀具在切削淬硬钢时承受极强的冲击载荷,极易发生破损。因此,针对淬硬钢的断续切削加工,本论文采用切削试验和仿真模拟相结合的方法,研究了高速断续切削淬硬钢时刀具裂纹的扩展路径,并以此为依据设计并制备了斜向梯度陶瓷刀具材料,并对斜向梯度陶瓷刀具的力学性能和切削性能进行了系统研究。采用陶瓷刀具进行了断续车削淬硬钢20CrMnTi的正交试验,应用田口法与方差分析研究了切削参数在时间尺度上对切削力的影响,结果表明:切削深度对切削力的影响最大,并且随着刀具损伤的累积,其影响占比逐渐升高;采用断口形貌学研究了切削速度对刀具失效机理的影响。结果发现:断续切削淬硬钢时陶瓷刀具的失效机理为疲劳断裂,低速时,疲劳特征为疲劳条带,而高速时的疲劳特征为疲劳弧线;分析了刀具疲劳裂纹扩展路径:裂纹起源于刀具刀尖处,随后沿45°最大剪应力方向向刀具内部扩展,随着刀具破损的进行,裂纹扩展方向逐渐平行于前刀面,并最终向刀具表面扩展。采用涂层硬质合金刀具进行了高速面铣H13钢和SKD11淬硬钢试验,研究了刀具铣削两种工件材料时切削力随切削参数的变化规律,并对刀具的失效机理进行对比分析。结果发现,刀具在铣削H13钢时的主要失效形式为后刀面的磨损,而铣削SKD11淬硬钢钢时,刀具主要失效形式为前刀面的疲劳断裂。疲劳裂纹起源于刀具基体缺陷处,随后向刀具前刀面表面扩展。在刀具断口表面发现多个疲劳源,并且有河流花样形貌,表明裂纹模式为Ⅰ-Ⅲ复合型裂纹。采用涂层硬质合金刀具进行了正交铣削淬硬钢试验,分析了切削速度对切削力以及刀具失效机理的影响;建立了正交铣削淬硬钢的二维切削仿真模型,并对刀具切入、切削以及切出工件时的应力状态进行了研究,建立了扩展有限元模型探究了裂纹起始位置以及刀具前角对裂纹扩展路径的影响。结果发现:刀具裂纹起源于前刀面最大拉应力处,并在循环拉-压载荷的作用下沿45°方向向刀具内部扩展。基于对断续切削淬硬钢刀具裂纹扩展路径的研究,将刀具材料的刀-工与刀-屑接触区设计为具有高硬度和高耐磨性的陶瓷,沿裂纹扩展方向提高刀具材料的断裂韧性,制备出A12O3-TiC斜向梯度陶瓷刀具材料TAA30。当取向角α为30°,梯度层为5层,层厚比e为0.4,烧结温度为1700℃,保温时间为15分钟时,TA30取得最优性能。刀具材料的硬度由表层到里层分别为21.22GPa,20.54GPa,19.90GPa,断裂韧度由表层到里层分别为9.07MPa·m1/2,9.29MPa·m1/2,9.26MPa·m1/2,抗弯强度为 761MPa。采用热压烧结工艺制备出A1203-TiC-TiB2梯度陶瓷刀具材料TT3,并对其梯度结构组份、层厚比以及烧结工艺进行了优选。结果发现,当刀具材料表层与过渡层硬度最大,里层韧性最高时,层厚比为0.2,烧结温度为1700℃,保温时间为20min时,刀具材料获到最优力学性能,其表层硬度为23.59GPa,断裂韧度7.45MPa·m1/2,抗弯强度为764.11MPa。总结了斜向梯度陶瓷刀具材料的抗裂纹扩展机理,包括:a.裂纹止裂效应;b.裂纹偏转效应;c.裂纹桥接效应。研究了自制TAA30以及TT3系列斜向梯度陶瓷刀具断续车削SKD11淬硬钢的切削性能,并与商用刀具进行了对比,分析了切削深度与切削速度对切削力、切削温度、切屑形貌以及刀具失效机理的影响。结果发现,相比于商用刀具和TAA30刀具,TT3系列刀具的切削力与切削温度更低,切屑形态更为完整,刀具寿命更高。由于斜向梯度陶瓷刀具刀尖处的残余压应力使刀尖处拥有较高的硬度,并且断裂韧度由表及里升高使刀具拥有良好的裂纹止裂作用,刀具失效形式为刀尖处的破损以及沿切削刃的剥落。当取向角为15°时,即TT3A15,刀具切削性能最优。


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