基于熱-力-微觀組織耦合的鈦合金銑削刀具失效機(jī)理研究.pdf

1、鈦合金在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。然而，由于鈦合金導(dǎo)熱系數(shù)低、高溫化學(xué)活性高和彈性模量小等特點(diǎn)，鈦合金又是典型的難加工材料。在鈦合金切削過程中，較高的切削溫度通常會(huì)加速刀具的磨損甚至破損。針對Ti-6Al-4V鈦合金的高速銑削加工，本課題擬通過試驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方式，對鈦合金銑削過程中熱-機(jī)械作用下硬質(zhì)合金刀具的宏-微觀失效形式和失效機(jī)理進(jìn)行研究。
　　針對銑削試驗(yàn)中的硬質(zhì)合金刀具材料，通過選取WC晶粒長、短軸尺寸、晶粒轉(zhuǎn)角及形

2、心X、Y坐標(biāo)等特征參數(shù)，對比了不同概率密度函數(shù)對特征參數(shù)的擬合精度。通過伽馬概率密度函數(shù)擬合，實(shí)現(xiàn)了對刀具微觀幾何特征的重構(gòu)。依據(jù)硬質(zhì)合金主要結(jié)構(gòu)理論，分別建立了薄膜結(jié)構(gòu)和骨架結(jié)構(gòu)兩種簡化模型，并對比了簡化模型和隨機(jī)模型在穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)和靜態(tài)機(jī)械載荷作用下的響應(yīng)特性。
　　基于自動(dòng)球壓痕試驗(yàn)建立并驗(yàn)證了Ti-6Al-4V鈦合金工件材料的本構(gòu)參數(shù)，通過正交切削試驗(yàn)得到了不同速度、不同切深下的切屑形貌及切削力，基于正交切削試驗(yàn)建立了切削仿

3、真模型，并研究了損傷演化參數(shù)對仿真切屑形貌、切削力及切削溫度的影響。通過對鋸齒切屑形成過程中剪切帶單元的特征參數(shù)（Mises應(yīng)力，等效塑性應(yīng)變PEEQ，塑性耗散能，溫度及剛度損傷當(dāng)量SDEG等）進(jìn)行提取，研究了損傷演化參數(shù)對鋸齒切屑形成的影響機(jī)理。提出了基于試驗(yàn)切削力和切屑特征參數(shù)來確定材料失效過程損傷演化斷裂能的方法，并通過對比不同切削速度下的切削力及切屑形貌驗(yàn)證了該方法的合理性。
　　通過鈦合金正交銑削試驗(yàn)，研究了不同切削參數(shù)

4、下刀具宏-微觀失效形式，發(fā)現(xiàn)低速時(shí)，主要以后刀面粘結(jié)磨損為主，高速時(shí)前刀面出現(xiàn)涂層剝落、微裂紋擴(kuò)展及崩刃，并且微裂紋擴(kuò)展方向垂直于刀具切削刃，為典型的“梳狀裂紋”。通過對失效刀具橫截面金相分析，發(fā)現(xiàn)在切削初期，刀具刃口附近涂層首先出現(xiàn)磨損，隨后熱-化學(xué)作用導(dǎo)致基體材料中鈷元素?cái)U(kuò)散流失，引入含有大量“孔洞”的“貧鈷區(qū)”，并在前刀面的“貧鈷區(qū)”發(fā)現(xiàn)了初始微觀裂紋的萌生。隨著切削速度的提高，一方面大量的切削熱加速了基體材料中鈷元素向工件材料中

5、擴(kuò)散，從而使基體材料中“孔洞”增多，導(dǎo)致基體材料發(fā)生裂紋萌生和擴(kuò)展機(jī)率增大，另一方面隨著粘結(jié)相鈷元素的擴(kuò)散，材料的強(qiáng)度降低，加速了刀具材料的磨粒磨損。
　　結(jié)合正交銑削試驗(yàn)，借助切削仿真，分析了切削階段刀具空間位置（前刀面、后刀面、刃口）應(yīng)力狀態(tài)隨時(shí)間的變化規(guī)律。通過熱-機(jī)械動(dòng)態(tài)解耦，對切削階段和空切階段刀具熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力進(jìn)行了分析。通過對切削過程中流入刀具內(nèi)熱流的提取，發(fā)現(xiàn)切削熱主要通過熱傳導(dǎo)的方式從前刀面流入刀具，且切削過程

6、中刀具空間熱流處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此提出了“等效熱流法”來模擬多時(shí)間尺度下刀具空間溫度及熱應(yīng)力。通過設(shè)定不同的切-空比，研究了斷續(xù)切削多時(shí)間尺度下，切削速度及切-空比對刀具溫度及熱應(yīng)力演變規(guī)律的影響。
　　基于對硬質(zhì)合金刀具材料的微觀結(jié)構(gòu)建模，通過分別定義微觀材料屬性實(shí)現(xiàn)了對刀具宏觀塑性行為的模擬，發(fā)現(xiàn)在考慮刀具塑性行為時(shí)，切削階段刀具刃口材料在切削熱應(yīng)力作用下發(fā)生屈服并出現(xiàn)塑性變形，導(dǎo)致刀具在空切階段出現(xiàn)拉應(yīng)力，且拉應(yīng)力的方向與切削

7、試驗(yàn)中導(dǎo)致熱裂紋擴(kuò)展的方向一致。針對斷續(xù)切削過程，研究了硬質(zhì)合金刀具材料在動(dòng)態(tài)循環(huán)熱-機(jī)械沖擊載荷作用下的微觀應(yīng)力、應(yīng)變。發(fā)現(xiàn)刀具材料在經(jīng)歷循環(huán)拉伸載荷后，Co相出現(xiàn)明顯的塑性變形，導(dǎo)致兩相交界處出現(xiàn)應(yīng)力集中，且卸載后Co相內(nèi)出現(xiàn)明顯的拉應(yīng)力，而WC相內(nèi)應(yīng)力較小且以壓應(yīng)力為主，循環(huán)壓縮載荷作用后應(yīng)力狀態(tài)與之相反。刀具材料在循環(huán)熱沖擊作用后，Co相以壓應(yīng)力為主，WC相以拉應(yīng)力為主。
　　綜上，本研究基于試驗(yàn)及仿真分析，認(rèn)為鈦合金銑削