收藏本站
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

难加工材料切削刀具磨损的热力学特性研究

邵芳  
【摘要】: 高速切削时,尤其是高速切削钛合金及高温合金等难加工材料时,刀具和工件之间的相互作用导致工件局部产生剧烈的塑性变形,刀具工件间产生剧烈的摩擦,产生大量的切削热,导致刀具磨损过快,换刀频繁,刀具寿命短、消耗量大成为制约高速切削加工技术广泛应用的主要瓶颈之一。高速切削过程是一个局部产生高温、高压、高应变和高应变率的非线性动态随机过程。本文针对难加工材料钛合金和高温合金材料,从热力学的角度系统研究切削加工刀具的磨损机理。 借助于非平衡态热力学理论,建立高速切削过程的热力学体系。分析该体系的的熵流和熵产生;对高速切削过程的热力学体系的各子过程之间的耦合进行研究,结果表明:虽然按照居里原理,不同张量阶的子过程之间不存在耦合,但通过体系结构和元素的变化仍可产生相互影响。对高速切削过程的热力学体系的刀具和工件之间的相互作用进行分析,分析结果表明扩散、粘结、氧化和塑性变形各因素之间的复杂非线性作用使切削热力学体系具有区别于一般热力学体系的显著特征:高速切削过程热力学体系各因素之间呈复杂非线性作用,而普通的热力学体系各因素之间满足居里原理,即具有不同热力学张量阶的因素间不存在耦合。 采用DEFORM-3D有限元软件,建立了正交切削加工的仿真模型。采用热力学的本构方程描述材料的流动应力行为,并把刀具视为非刚体,采用单元自适应网格重划分技术与分离准则相结合实现切屑与工件的分离,选用无量纲Cockcroft Latham断裂准则实现材料的断裂,摩擦模型的建立通过划分粘结区和滑动区,分别应用不同的摩擦系数来描述。基于仿真模型预测热力耦合作用下工件、切屑中的非均匀应变场、应力场、温度场以及切削力。设计正交切削实验,验证了模型的正确性。 基于扩散的热力学原理,研究硬质合金刀具材料的溶解扩散机制并进行计算,分析硬质合金刀具的扩散磨损特点。利用材料学的二元相图用反求法求解一种元素溶入另一种元素中的超额自由能,并利用此法求解碳元素在铝中的超额自由能。研究表明:WC基硬质合金刀具在高速切削铁基高温合金时抗扩散磨损的能力低于TiC、TaC和NbC含量较多的硬质合金刀具。对硬质合金刀具分别与高温合金GH907和钛合金TC4的扩散进行实验研究,实验结果与理论计算一致。 以发生氧化反应的标准吉布斯自由能为判据,研究高速切削时刀具的氧化磨损。计算硬质合金刀具在不同温度下可能的氧化反应的标准吉布斯自由能,对反应发生的可能性进行排序,分析各个反应的特点,结果表明产物中WO3、CoWO4和Ti02含量较多,证明中间产物Co3O4会继续和WO及氧气发生剧烈的氧化反应,生成CoWO4,并进行实验验证,结论与实验结果一致。同时对PCBN刀具和氧化铝陶瓷刀具的氧化产物进行热力学计算,并分析这两种刀具的氧化磨损特点。 建立刀具粘结磨损的热力学模型。用白光干涉仪、红外热像仪和SEM-EDS等技术手段研究刀具的粘结磨损,通过分析两种不同的工件材料形成的刀具磨损来研究刀具的磨损形态、磨损机理以及磨损过程规律,分析切削时间和切削速度对粘结磨损的影响。研究表明:高速车削铁基高温合金GH907和钛合金TC4时,刀具的粘结磨损均在切削速度v=200m/min时较为严重,在切削速度v=300m/min时,刀具和工件材料之间的粘结显著减轻,主要原因是材料热软化效应造成的。 基于热力学理论核心原理—最小能耗原理,证明了一个假设三个约束条件下的切削过程热力学体系的最小熵产生,建立第一变形区剪切变形区和第二变形区刀屑摩擦区的熵产生模型,分析切削参数对熵产生的影响,并用实验验证模型的正确性。结果表明由于切削过程的复杂性和影响因素的多样性使得切削过程的流和力不满足线性关系,变形区的熵产生无最小值,呈发散状态。高速切削过程的热力学机制和理论探索有待于进一步深入研究。 本课题得到国家重点基础研究发展计划(2009CB724401)、国家自然科学基金项目(50705052)、教育部博士点基金新教师项目资助(20070422032)和高档数控机床与基础制造装备科技重大专项(2009ZX04014-043、2009ZX04014-012、2009ZX04014-031)的资助。


知网文化
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前20条
1 于启勋;;硬质合金刀具材料技术水平的进展[J];新技术新工艺;2007年05期
2 潘建新;周小红;;数控加工中如何根据刀具材料选用合适的切削液[J];煤炭技术;2010年03期
3 初黎;漫话硬质合金刀具的发展与最佳切削状态[J];工具技术;1981年05期
4 张绍巡;;难加工材料的切削加工——自贡硬质合金厂新型硬质合金刀具材料评介[J];机械;1985年01期
5 任鑫;杜学芸;谷永旭;侯静;;硬质合金高温氧化行为研究[J];热加工工艺;2011年10期
6 ;美国刀具材料发展概况[J];工具技术;1971年04期
7 李鹏南;张厚安;张永忠;胡忠举;;高速切削刀具材料及其与工件匹配研究[J];工具技术;2008年06期
8 刘楚玉;熊建武;周进;;硬质合金高速切削铝合金时刀具材料和切削用量的选择[J];中国西部科技;2010年03期
9 宋驰;宋惠萌;宋克非;;木材加工刀具新材料[J];国际木业;2002年03期
10 程伟;现代刀具材料的发展与应用[J];现代零部件;2005年01期
11 姜冰;;浅谈刀具材料的发展[J];农业与技术;2008年02期
12 朱光明;;刀企和用刀专家论谈先进数控加工技术[J];金属加工(冷加工);2011年02期
13 储开宇;;21世纪数控机床刀具材料的发展[J];机床与液压;2011年14期
14 黄显英;;谈刀具磨损的原因[J];牡丹江教育学院学报;2005年04期
15 邵芳;刘战强;万熠;;基于热力学的WC基硬质合金刀具加工各种常见工件材料的匹配研究[J];制造技术与机床;2009年03期
16 苟琪;难加工材料切削技术新进展[J];机械研究与应用;1998年03期
17 储开宇;;我国硬质合金产业的发展现状与展望[J];稀有金属与硬质合金;2011年01期
18 刘亚丽;刘钢;;镍基高温合金的铣削刀具分析[J];中国水运(下半月);2008年11期
19 李友生;;21世纪刀具技术将会有一个长足的发展[J];材料工程;2009年02期
20 张荣波;许崇海;冯曰美;赵诗奎;孝煦;于广涛;;陶瓷刀具材料近期研究进展[J];机械工程师;2008年01期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 闫利平;;浅析刀具磨损[A];第十五届全国汽车检测技术年会论文集[C];2011年
2 仇晓梅;;手机透镜及键盘加工行业数控铣刀具的合理选择与使用[A];天津市电视技术研究会2011年年会论文集[C];2011年
3 张晓饶;梁鑫;;提高油田井下钻铣刀具效率及寿命的研究[A];2010全国机械装备先进制造技术(广州)高峰论坛论文汇编[C];2010年
4 刘战强;王遵彤;万熠;艾兴;;基于实例推理的刀具材料选择系统的研究[A];制造业与未来中国——2002年中国机械工程学会年会论文集[C];2002年
5 李友生;邓建新;石磊;;加工钛合金刀具材料的抗氧化性能研究[A];《硅酸盐学报》创刊50周年暨中国硅酸盐学会2007年学术年会论文摘要集[C];2007年
6 王宏亮;田宙;;利用弹性体理论得到堆积颗粒本构方程[A];计算爆炸力学进展[C];2006年
7 李忱;杨桂通;黄执中;;各向同性弹性介质非线性本构方程[A];第18届全国结构工程学术会议论文集第Ⅰ册[C];2009年
8 吴春桥;张胜文;仝永海;朱玉龙;方喜峰;;基于VB和MATLAB的计算机辅助刀具与工艺参数优选研究[A];全国先进制造技术高层论坛暨第九届制造业自动化与信息化技术研讨会论文集[C];2010年
9 程国强;蔡中民;;冻结粉砂圆柱杆在常应力和常速度压缩时的惯性效应[A];第二届全国结构工程学术会议论文集(下)[C];1993年
10 章根德;韩贝传;;循环载荷下非凝聚土本构方程的数值计算[A];第八届全国结构工程学术会议论文集(第Ⅰ卷)[C];1999年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 邵芳;难加工材料切削刀具磨损的热力学特性研究[D];山东大学;2010年
2 杨树宝;置氢钛合金高效切削仿真及刀具磨损预测研究[D];南京航空航天大学;2012年
3 张宗阳;基于最小表面磨损率的刀具磨损及加工表面层特性研究[D];山东大学;2012年
4 张辉;硬脆刀具材料的高温摩擦磨损特性及机理研究[D];山东大学;2011年
5 王晓琴;钛合金Ti6Al4V高效切削刀具摩擦磨损特性及刀具寿命研究[D];山东大学;2009年
6 宋新玉;镍基合金Inconel 718高速切削刀具磨损机理研究[D];山东大学;2010年
7 范依航;高效切削钛合金Ti6Al4V刀具磨损特性及切削性能研究[D];哈尔滨理工大学;2011年
8 姜峰;不同冷却润滑条件Ti6Al4V高速加工机理研究[D];山东大学;2009年
9 戚宝运;基于表面微织构刀具的钛合金绿色切削冷却润滑技术研究[D];南京航空航天大学;2011年
10 张少婧;基于聚焦离子束技术的微刀具制造方法及关键技术的研究[D];天津大学;2009年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 何建林;具有微结构功能表面的刀具及车削性能研究[D];华南理工大学;2011年
2 杨晓旻;司太立焊材车削加工刀具磨损机理及应用研究[D];上海交通大学;2010年
3 井治;多组元梯度成分硬质复合膜刀具研究[D];沈阳大学;2012年
4 邓昭帅;铜阳极板铣削刀具磨损原因分析及刀具耐用度的确定[D];昆明理工大学;2010年
5 刘月萍;铣削Ti6Al4V刀具刃口钝化研究[D];山东大学;2010年
6 王持红;热处理工艺参数对等温淬火球墨铸铁切削加工性能影响的研究[D];苏州大学;2010年
7 黄丽仁;铣刀楔角对木塑材料切削过程中切削温度的影响[D];南京林业大学;2010年
8 方记文;难加工材料铣削加工刀具磨损建模技术研究[D];南京航空航天大学;2010年
9 邹浩波;高速切削加工表面粗糙度的研究[D];昆明理工大学;2006年
10 朱晓伟;钛合金TC11切削加工研究[D];沈阳航空航天大学;2011年
中国重要报纸全文数据库 前10条
1 刘峰;国产刀具要在高和专上下功夫[N];消费日报;2006年
2 刘献礼;PCBN刀具在中国市场的应用现状与思考[N];机电商报;2005年
3 本报记者 臧亚伟;袁哲俊解读中国刀具业发展直陈三大制约因素[N];机电商报;2006年
4 力纳;发展刀具业不能再错失良机[N];消费日报;2008年
5 王迅;硬质合金刀具材料不断推陈出新[N];中国有色金属报;2008年
6 本报记者 徐俊霞;株洲钻石:在变革中崛起[N];机电商报;2006年
7 张丽娜;洋刀霍霍中国刀企还要磨刀几回?[N];消费日报;2006年
8 ;国产五金刀具缘何受冷落[N];现代物流报;2006年
9 太原东山煤矿有限责任公司 王志荣;自润滑刀具材料研究[N];山西科技报;2006年
10 刘艺兵;刘国刚;励精图治不畏坚[N];中国航空报;2002年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62982499
  • 010-62783978