微納米復(fù)合陶瓷刀具材料計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及其切削性能研究.pdf

1、隨著航空航天、能源、化工、汽車等行業(yè)的發(fā)展，對高溫合金、淬硬鋼和超高強(qiáng)度鋼等難加工材料的需求也日益增加，從而對刀具材料提出了更高的要求。陶瓷刀具以其優(yōu)異的高硬度、耐熱性、耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性，在高速切削難加工材料方面顯示出了極大的優(yōu)勢。然而，目前采用“試錯(cuò)法”來研發(fā)新型陶瓷刀具材料的周期長、效率低和成本高。而計(jì)算機(jī)輔助材料設(shè)計(jì)技術(shù)可縮短刀具材料研發(fā)周期和降低研發(fā)成本，因此逐漸成為刀具材料設(shè)計(jì)的新方法。
　　為了研究陶瓷刀具材料各性能

2、對刀具壽命的影響程度，通過超高強(qiáng)度鋼300M的車削刀具壽命實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建了刀具壽命與材料各性能關(guān)系的指數(shù)模型，進(jìn)行刀具壽命目標(biāo)分解。再使用AHP法和CRITIC法確定了刀具材料的最佳性能配置，即硬度、斷裂韌性、抗彎強(qiáng)度和彈性模量的權(quán)重分別為0.42、0.39、0.05和0.14。
　　提出了一種基于Voronoi法和隨機(jī)法的微納米復(fù)合陶瓷刀具材料二維微觀結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)建方法。在該模型中，考慮了晶粒的平均粒徑及其分布、增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)和納

3、米相的粒徑及體積分?jǐn)?shù)等微觀結(jié)構(gòu)參數(shù)。并基于Matlab和VC++平臺開發(fā)了微納米復(fù)合陶瓷刀具材料微觀結(jié)構(gòu)建模系統(tǒng)。
　　基于構(gòu)建的微納米復(fù)合刀具材料微觀結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合拉伸實(shí)驗(yàn)、三點(diǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)、裂紋擴(kuò)展和壓痕實(shí)驗(yàn)的有限元模擬，分別預(yù)報(bào)了陶瓷刀具材料的彈性性能、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性和硬度，并研究了晶粒平均粒徑、增強(qiáng)相顆粒和納米顆粒對陶瓷刀具材料的性能的影響。結(jié)果表明，隨著晶粒平均粒徑的增加，其彈性模量、泊松比、抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性和硬度逐漸

4、降低;隨著增強(qiáng)相顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，其彈性模量、泊松比和硬度逐漸增大，而抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性先增大后減小;隨著納米顆粒體積分?jǐn)?shù)的增加，其彈性模量、泊松比、抗彎強(qiáng)度、硬度和斷裂韌性都是先增大后減小。
　　提出了微納米復(fù)合陶瓷刀具材料的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法。根據(jù)工件材料的加工特點(diǎn)，通過化學(xué)相容性計(jì)算，選取合理的陶瓷刀具材料組分;初步設(shè)計(jì)不同參數(shù)的微觀結(jié)構(gòu)模型，并對其性能進(jìn)行預(yù)報(bào);最后以得到的高壽命陶瓷刀具的最佳性能配置為判據(jù)，確定最優(yōu)的微

5、觀結(jié)構(gòu)參數(shù)。確定了適合加工超高強(qiáng)度鋼300M的微納米復(fù)合Al2O3/TiC/TiN陶瓷刀具材料組分和微觀結(jié)構(gòu)參數(shù):基體相Al2O3的粒徑為0.5μm;增強(qiáng)相TiN的粒徑為0.5μm，體積分?jǐn)?shù)為20％;增強(qiáng)相TiC的粒徑為0.5μm，體積分?jǐn)?shù)為10％;納米顆粒TiC的粒徑為0.14μm，體積分?jǐn)?shù)為10％;并添加微量的MgO和NiO作為燒結(jié)助劑。
　　在微納米復(fù)合陶瓷刀具材料計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)結(jié)果的指導(dǎo)下，采用熱壓燒結(jié)工藝制備出綜合性能優(yōu)

6、異的微納米復(fù)合Al2O3/TiC/TiN陶瓷刀具材料AT10N20。燒結(jié)溫度為1650℃，保溫時(shí)間為15min，燒結(jié)壓力為35MPa時(shí)，AT10N20抗彎強(qiáng)度為898.6MPa，斷裂韌性為8.9MPa·m1/2，維氏硬度為21.3GPa。從而驗(yàn)證了提出的微納米復(fù)合陶瓷刀具材料計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法的正確性和可行性。
　　研究了微納米復(fù)合陶瓷刀具AT10N20高速車削超高強(qiáng)度鋼300M的切削性能，分析了陶瓷刀具的磨損和破損形式及機(jī)理，并

7、與Sandvik公司的復(fù)合陶瓷刀具CC650進(jìn)行了對比。結(jié)果表明，當(dāng)切削速度為100m/min和200m/min時(shí)，AT10N20的刀具壽命低于CC650;當(dāng)切削速度為300m/min和400m/min時(shí)，AT10N20刀具壽命與CC650接近;當(dāng)切削速度為500m/min時(shí)，AT10N20的刀具壽命低于CC650。在不同切削速度下，AT10N20和CC650刀具的主要磨損形態(tài)為前刀面月牙洼磨損和后刀面磨損，主要的磨損機(jī)理為粘結(jié)磨損和磨