難加工材料切削刀具磨損的熱力學特性研究.pdf

1、高速切削時,尤其是高速切削鈦合金及高溫合金等難加工材料時,刀具和工件之間的相互作用導致工件局部產(chǎn)生劇烈的塑性變形,刀具工件間產(chǎn)生劇烈的摩擦,產(chǎn)生大量的切削熱,導致刀具磨損過快,換刀頻繁,刀具壽命短、消耗量大成為制約高速切削加工技術廣泛應用的主要瓶頸之一。高速切削過程是一個局部產(chǎn)生高溫、高壓、高應變和高應變率的非線性動態(tài)隨機過程。本文針對難加工材料鈦合金和高溫合金材料,從熱力學的角度系統(tǒng)研究切削加工刀具的磨損機理。
　　 借助于非

2、平衡態(tài)熱力學理論,建立高速切削過程的熱力學體系。分析該體系的的熵流和熵產(chǎn)生；對高速切削過程的熱力學體系的各子過程之間的耦合進行研究,結果表明:雖然按照居里原理,不同張量階的子過程之間不存在耦合,但通過體系結構和元素的變化仍可產(chǎn)生相互影響。對高速切削過程的熱力學體系的刀具和工件之間的相互作用進行分析,分析結果表明擴散、粘結、氧化和塑性變形各因素之間的復雜非線性作用使切削熱力學體系具有區(qū)別于一般熱力學體系的顯著特征:高速切削過程熱力學體系各

3、因素之間呈復雜非線性作用,而普通的熱力學體系各因素之間滿足居里原理,即具有不同熱力學張量階的因素間不存在耦合。
　　 采用DEFORM-3D有限元軟件,建立了正交切削加工的仿真模型。采用熱力學的本構方程描述材料的流動應力行為,并把刀具視為非剛體,采用單元自適應網(wǎng)格重劃分技術與分離準則相結合實現(xiàn)切屑與工件的分離,選用無量綱Cockcroft Latham斷裂準則實現(xiàn)材料的斷裂,摩擦模型的建立通過劃分粘結區(qū)和滑動區(qū),分別應用不同的摩

4、擦系數(shù)來描述。基于仿真模型預測熱力耦合作用下工件、切屑中的非均勻應變場、應力場、溫度場以及切削力。設計正交切削實驗,驗證了模型的正確性。
　　 基于擴散的熱力學原理,研究硬質(zhì)合金刀具材料的溶解擴散機制并進行計算,分析硬質(zhì)合金刀具的擴散磨損特點。利用材料學的二元相圖用反求法求解一種元素溶入另一種元素中的超額自由能,并利用此法求解碳元素在鋁中的超額自由能。研究表明:WC基硬質(zhì)合金刀具在高速切削鐵基高溫合金時抗擴散磨損的能力低于TiC

5、、TaC和NbC含量較多的硬質(zhì)合金刀具。對硬質(zhì)合金刀具分別與高溫合金GH907和鈦合金TC4的擴散進行實驗研究,實驗結果與理論計算一致。
　　 以發(fā)生氧化反應的標準吉布斯自由能為判據(jù),研究高速切削時刀具的氧化磨損。計算硬質(zhì)合金刀具在不同溫度下可能的氧化反應的標準吉布斯自由能,對反應發(fā)生的可能性進行排序,分析各個反應的特點,結果表明產(chǎn)物中WO3、CoWO4和TiO2含量較多,證明中間產(chǎn)物Co3O4會繼續(xù)和WO及氧氣發(fā)生劇烈的氧化反

6、應,生成CoWO4,并進行實驗驗證,結論與實驗結果一致。同時對PCBN刀具和氧化鋁陶瓷刀具的氧化產(chǎn)物進行熱力學計算,并分析這兩種刀具的氧化磨損特點。
　　 建立刀具粘結磨損的熱力學模型。用白光干涉儀、紅外熱像儀和SEM-EDS等技術手段研究刀具的粘結磨損,通過分析兩種不同的工件材料形成的刀具磨損來研究刀具的磨損形態(tài)、磨損機理以及磨損過程規(guī)律,分析切削時間和切削速度對粘結磨損的影響。研究表明:高速車削鐵基高溫合金GH907和鈦合金

7、FC4時,刀具的粘結磨損均在切削速度v=200m/min時較為嚴重,在切削速度v=300m/min時,刀具和工件材料之間的粘結顯著減輕,主要因為是材料熱軟化效應造成的。
　　 基于熱力學理論核心原理一最小能耗原理,證明了一個假設三個約束條件下的切削過程熱力學體系的最小熵產(chǎn)生,建立第一變形區(qū)剪切變形區(qū)和第二變形區(qū)刀屑摩擦區(qū)的熵產(chǎn)生模型,分析切削參數(shù)對熵產(chǎn)生的影響,并用實驗驗證模型的正確性。結果表明由于切削過程的復雜性和影響因素的多

8、樣性使得切削過程的流和力不滿足線性關系,變形區(qū)的熵產(chǎn)生無最小值,呈發(fā)散狀態(tài)。高速切削過程的熱力學機制和理論探索有待于進一步深入研究。
　　 本課題得到國家重點基礎研究發(fā)展計劃(2009CB724401)、國家自然科學基金項目(50705052)、教育部博士點基金新教師項目資助(20070422032)和高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備科技重大專項(2009ZX04014-043、2009ZX04014-012、2009ZX04014-