鈦合金Ti6Al4V高效切削刀具摩擦磨損特性及刀具壽命研究.pdf

1、高效率、高精度、高柔性和綠色化是現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展方向。高速、高效切削加工技術(shù)近20年來(lái)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成功應(yīng)用于鋼鐵及鋁合金的切削加工，但是在高溫合金的加工中應(yīng)用并不廣泛。論文主要針對(duì)Ti6Al4V高效切削加工過(guò)程中刀具摩擦磨損特性及其熱-力耦合作用對(duì)刀具磨損與刀具壽命的影響規(guī)律展開(kāi)研究，為鈦合金加工刀具材料選擇、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及切削參數(shù)優(yōu)化提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。
　　 研究了Ti6Al4V-硬質(zhì)合金的摩擦學(xué)行為。摩擦過(guò)程中，摩

2、擦系數(shù)隨摩擦溫度變化呈近似線性的規(guī)律。硬質(zhì)合金的磨損率隨滑動(dòng)速度的升高而增加，磨損機(jī)理主要是粘著、擴(kuò)散、氧化、剝落磨損及破損，幾種磨損機(jī)理是相互影響的，粘結(jié)劑Co元素的擴(kuò)散是導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀具基體弱化剝落的重要因素。
　　 在Ti6Al4V直角切削刀具-切屑(前刀面)、刀具-工件(后刀面)接觸面的摩擦特性試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，建立了前、后刀面的摩擦模型，刀具-切屑、刀具-工件接觸以粘結(jié)為主，接觸區(qū)分為緊密粘結(jié)和非緊密粘結(jié)兩個(gè)區(qū)域，非緊密

3、粘結(jié)區(qū)的成因?yàn)榈毒弑砻娌黄秸?，接觸區(qū)上主應(yīng)力及摩擦應(yīng)力服從負(fù)指數(shù)分布，摩擦系數(shù)為平均溫度的函數(shù)。在刀具-切屑、刀具-工件、刃口區(qū)接觸面主應(yīng)力及相對(duì)滑動(dòng)速度有限元分析的基礎(chǔ)上，建立了直角切削前、后刀面及刃口區(qū)應(yīng)力及速度連續(xù)性分布模型。為全面分析Ti6Al4V加工過(guò)程中的刀具-切屑、刀具-工件接觸面的摩擦特性及熱-力耦合現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)。
　　 建立了直角切削刀具前、后刀面及刃口區(qū)的熱-力耦合作用解析模型，計(jì)算并分析了切削參數(shù)、刀

4、具幾何角度、后刀面磨損量對(duì)刀具-切屑接觸長(zhǎng)度、應(yīng)力分布、切削溫度、切削力等變量的影響，為進(jìn)一步研究刀具磨損規(guī)律提供了理論依據(jù)。
　　 建立了熱-力耦合作用下以擴(kuò)散磨損為主要磨損機(jī)理的前刀面月牙洼磨損模型。計(jì)算并分析了切削參數(shù)及Co含量對(duì)硬質(zhì)合金刀具前刀面磨損率的影響，結(jié)果顯示硬質(zhì)合金磨損率與Co含量成正比，為鈦合金切削加工硬質(zhì)合金刀具材料的選擇提供了理論依據(jù)。建立了以擴(kuò)散、磨粒、粘結(jié)磨損為機(jī)理的硬質(zhì)合金刀具后刀面磨損解析模型。計(jì)

5、算結(jié)果顯示切削速度及后刀面磨損量對(duì)各種磨損機(jī)理所占比例有重要影響，切削速度及后刀面磨損量增大，擴(kuò)散磨損比例大大增加。
　　 分析了刃傾角及主偏角對(duì)Ti6Al4V車(chē)削過(guò)程的影響。刃傾角較小時(shí)(-15°～15°)，其對(duì)前刀面切削溫度和切削力影響不大。主偏角對(duì)刀具壽命有明顯影響，減小主偏角可提高刀具壽命。因此，適當(dāng)?shù)乃俣?、大切深、小主偏角是硬質(zhì)合金刀具車(chē)削鈦合金提高效率的優(yōu)化方向。試驗(yàn)研究了非涂層硬質(zhì)合金刀具、涂層硬質(zhì)合金刀具及PCB

6、N刀具車(chē)削Ti6Al4V的切削力、切削溫度、刀具磨損及壽命隨切削參數(shù)的變化規(guī)律。并以表面粗糙度、刀具壽命及切削效率為優(yōu)化目標(biāo)對(duì)上述三種刀具切削參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。Ti6Al4V車(chē)削中，刀具的使用性能依次為非涂層硬質(zhì)合金＜涂層硬質(zhì)合金＜PCBN，PCBN刀具的應(yīng)用將使Ti6Al4V高速車(chē)削成為可能。
　　 對(duì)Ti6Al4V銑削加工過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬(DEFORM3D)。銑削過(guò)程中的熱-力耦合現(xiàn)象與車(chē)削顯著不同，在斷續(xù)的機(jī)械沖擊和熱沖擊