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年來以其獨特的優(yōu)勢成功應(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Ti6Al4V高效切削加工過程中刀具摩擦磨損特性及其熱-力耦合作用對刀具磨損與刀具壽命的影響規(guī)律展開研究，為鈦合金加工刀具材料選擇、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計及切削參數(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速度的升高而增加，磨損機理主要是粘著、擴散、氧化、剝落磨損及破損，幾種磨損機理是相互影響的，粘結(jié)劑Co元素的擴散是導(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)兩個區(qū)域，非緊密

3、粘結(jié)區(qū)的成因為刀具表面不平整所致，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)力及相對滑動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，計算并分析了切削參數(shù)、刀

4、具幾何角度、后刀面磨損量對刀具-切屑接觸長度、應(yīng)力分布、切削溫度、切削力等變量的影響，為進一步研究刀具磨損規(guī)律提供了理論依據(jù)。
　　 建立了熱-力耦合作用下以擴散磨損為主要磨損機理的前刀面月牙洼磨損模型。計算并分析了切削參數(shù)及Co含量對硬質(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)。建立了以擴散、磨粒、粘結(jié)磨損為機理的硬質(zhì)合金刀具后刀面磨損解析模型。計

5、算結(jié)果顯示切削速度及后刀面磨損量對各種磨損機理所占比例有重要影響，切削速度及后刀面磨損量增大，擴散磨損比例大大增加。
　　 分析了刃傾角及主偏角對Ti6Al4V車削過程的影響。刃傾角較小時(-15°～15°)，其對前刀面切削溫度和切削力影響不大。主偏角對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)乃俣取⒋笄猩?、小主偏角是硬質(zhì)合金刀具車削鈦合金提高效率的優(yōu)化方向。試驗研究了非涂層硬質(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)對上述三種刀具切削參數(shù)進行了優(yōu)化。Ti6Al4V車削中，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高速車削成為可能。
　　 對Ti6Al4V銑削加工過程進行了數(shù)值模擬(DEFORM3D)。銑削過程中的熱-力耦合現(xiàn)象與車削顯著不同，在斷續(xù)的機械沖擊和熱沖擊