高速切削用陶瓷刀具多尺度設(shè)計(jì)理論與切削可靠性研究.pdf

1、現(xiàn)階段陶瓷刀具材料研制多采取“試湊法”的研究方式，本文針對(duì)研制過程存在的盲目性和實(shí)驗(yàn)量大的弊端，提出了復(fù)合陶瓷刀具材料的多尺度設(shè)計(jì)理論，揭示了復(fù)合材料宏觀性能和其微觀組織之間的定量關(guān)系;研制成功了多尺度顆粒復(fù)合陶瓷刀具材料，并對(duì)刀具材料的燒結(jié)工藝、微觀組織、增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理、室溫和高溫力學(xué)性能、動(dòng)態(tài)疲勞性能、切削性能和切削可靠性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。
　　提出了復(fù)合陶瓷刀具材料的多尺度設(shè)計(jì)理論。建立了刀具材料抗彎強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型、殘余應(yīng)力力學(xué)模

2、型、納米顆粒最優(yōu)含量數(shù)學(xué)模型和金屬相完全填充顆粒間隙時(shí)的最優(yōu)含量數(shù)學(xué)模型。
　　根據(jù)復(fù)合陶瓷刀具材料抗彎強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型、刀具材料殘余應(yīng)力力學(xué)模型、納米顆粒最優(yōu)含量數(shù)學(xué)模型和金屬相完全填充顆粒間隙的最優(yōu)含量數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了兩種Al2O3基多尺度顆粒復(fù)合陶瓷刀具材料，其一是Al2O3μ-TiCμ-TiCn-Co，微米TiC、納米TiC和金屬Co的體積含量分別為35％、6％和3％;其二是Al2O3μ-(W,Ti)Cμ-TiCn-Ni/Co

3、，微米(W,Ti)C、納米TiC和金屬Ni或Co的體積含量分別為33％、6％和4％。
　　研究了納米顆粒含量、金屬相含量對(duì)Al2O3基多尺度顆粒復(fù)合陶瓷刀具材料室溫力學(xué)性能和微觀組織的影響。結(jié)果表明，當(dāng)納米TiC顆粒的含量為6vol.％時(shí)，裂紋沿晶與穿晶擴(kuò)展的比例適當(dāng)，材料的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌度較好，驗(yàn)證了納米顆粒最優(yōu)含量數(shù)學(xué)模型的正確性;金屬Co含量過少或過多時(shí)，材料力學(xué)性能均降低，其存在一最佳含量，從而驗(yàn)證了金屬相最優(yōu)含量數(shù)學(xué)模

4、型的正確性。
　　優(yōu)化了陶瓷刀具材料的燒結(jié)工藝。Al2O3μ-TiCμ-TiCn-Co陶瓷刀具材料在燒結(jié)溫度為1650℃、保溫時(shí)間為20min和燒結(jié)壓力為32MPa時(shí)獲得最優(yōu)的室溫力學(xué)性能，其抗彎強(qiáng)度、斷裂韌度和維氏硬度分別為916MPa、8.3MPa·m1/2和18GPa。Al2O3μ-(W,Ti)Cμ-TiCn-Co陶瓷刀具材料在燒結(jié)溫度為1650℃、保溫時(shí)間為30min和燒結(jié)壓力為32MPa時(shí)獲得最優(yōu)的室溫力學(xué)性能，其抗彎強(qiáng)

5、度、斷裂韌度和維氏硬度分別為882MPa、7.2MPa·m1/2和19GPa。
　　研究了Al2O3基多尺度顆粒復(fù)合陶瓷刀具材料的增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理。結(jié)果表明，微米增強(qiáng)顆粒的主要增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理是晶粒橋接和裂紋偏轉(zhuǎn);納米增強(qiáng)顆粒的主要增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理是晶界釘扎、晶粒細(xì)化、裂紋二次偏轉(zhuǎn)和穿晶斷裂;金屬相的主要增韌補(bǔ)強(qiáng)機(jī)理是基體中的殘余拉應(yīng)力降低和界面結(jié)合強(qiáng)度提高。
　　研究了陶瓷刀具材料的高溫力學(xué)性能和動(dòng)態(tài)疲勞性能，揭示了陶瓷刀具材料高溫力

6、學(xué)性能和動(dòng)態(tài)疲勞性能隨溫度變化的規(guī)律，建立了陶瓷刀具材料在高溫時(shí)裂紋緩慢擴(kuò)展機(jī)理模型，提出了陶瓷刀具材料高溫抗彎強(qiáng)度、高溫?cái)嗔秧g度和動(dòng)態(tài)疲勞性能的弱化機(jī)理。結(jié)果表明，Al2O3-TiCμ-TiCn-Co陶瓷刀具材料的抗彎強(qiáng)度隨著溫度的升高而降低，斷裂韌度隨溫度的升高先降低，當(dāng)溫度達(dá)到1200℃時(shí)材料發(fā)生一定的塑性變形，此時(shí)斷裂韌度升高。不含金屬相的刀具材料的室溫抗彎強(qiáng)度和高溫抗彎強(qiáng)度差別較小;含金屬相的刀具材料抗彎強(qiáng)度隨溫度升高而劇烈降

7、低，金屬相含量越高，刀具材料的高溫抗彎強(qiáng)度降低幅度越大。該陶瓷刀具材料在室溫和高溫時(shí)均存在亞臨界裂紋擴(kuò)展行為;與室溫相比，材料在高溫時(shí)的抗疲勞性能顯著降低;適量的金屬相能提高陶瓷刀具材料在室溫和高溫時(shí)的抗疲勞性能。Al2O3-TiCμ-TiCn-Co陶瓷刀具材料高溫抗彎強(qiáng)度的主要弱化機(jī)理是材料被氧化侵蝕，微觀組織被破壞;高溫時(shí)富金屬相晶界變軟，界面結(jié)合強(qiáng)度降低，裂紋傾向于沿晶擴(kuò)展，并產(chǎn)生沿晶斷裂;高溫時(shí)材料的彈性模量降低;材料發(fā)生塑性變

8、形，晶界移動(dòng)產(chǎn)生晶界缺陷。該陶瓷刀具材料在室溫和900℃高溫時(shí)的疲勞失效機(jī)理是應(yīng)力腐蝕裂紋，在1200℃高溫時(shí)的疲勞失效機(jī)理主要是蠕變。
　　研究了陶瓷刀具加工難加工材料時(shí)的切削性能和切削可靠性。創(chuàng)建了陶瓷刀具材料動(dòng)態(tài)疲勞性能和陶瓷刀具疲勞破損壽命之間的關(guān)系模型，建立了陶瓷刀具磨損壽命分布模型和切削可靠度模型。研究了Al2O3基多尺度顆粒復(fù)合陶瓷刀具連續(xù)切削奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti的切削性能和切削可靠性。結(jié)果表明，當(dāng)v=8

9、0m/min，f=0.15mm/r，ap=0.1mm時(shí)，金屬去除量最大，刀具壽命為13min。。刀具磨損壽命服從伽馬分布。刀具可靠度為0.5時(shí)刀具磨損的可靠壽命約為9min;刀具可靠度為0.8～0.9時(shí)，刀具磨損的可靠壽命為5.5～6.5min。具有不同倒棱寬度和不同刀尖圓弧半徑的四種刀具抗磨損能力由強(qiáng)到弱依次為ATTC(b=0.1mm，r=0.1mm)＞ATTC(b=0.3mm,r=0.3mm)=LT55＞AWTC。刀具的主要失效形式

10、是疲勞破損造成的切削刃脆斷和后刀面材料剝落，其主要失效機(jī)理是磨粒磨損和粘結(jié)磨損。研究了Al2O3基多尺度顆粒復(fù)合陶瓷刀具連續(xù)濕式切削冷作模具鋼Cr12MoV的切削性能和切削可靠性。結(jié)果表明，當(dāng)v=60m/min，f=0.1mm/r，ap=0.1mm時(shí)，工件加工表面的粗糙度最小，刀具磨損壽命為9min。ATTC(b=0.3mm,r=0.3mm)刀具磨損壽命服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。刀具可靠度為0.5時(shí)，刀具磨損的可靠壽命約為7.5min;刀具可靠

11、度為0.8～0.9時(shí)，刀具磨損的可靠壽命為4.5～5.3min。具有不同刀尖圓弧半徑的ATTC刀具在干式切削和濕式切削Cr12MoV時(shí)，表面粗糙度由小到大依次是(濕式切削，b=0.3mm,r=0.3mm)＜(干式切削，b=0.1mm，r=0.1mm)＜(濕式切削，b=0.1mm,r=0.1mm)＜《干式切削，b=0.3mm，r=0.3mm)。在濕式切削時(shí)，刀具的主要失效形式是溝槽磨損、邊界磨損、后刀面材料剝落和主切削刃微崩，其主要磨損機(jī)