超細(xì)晶粒Ti（C，N）基金屬陶瓷刀具與切削性能研究.pdf

1、隨著高速精密切削和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，對(duì)刀具切削性能的要求也日益提高。金屬陶瓷具有硬度高、耐磨性好、高溫力學(xué)性能好等優(yōu)良特性，但因其抗塑性變形能力差、抗崩刃性能差及韌性不好等限制了應(yīng)用，長(zhǎng)期以來對(duì)金屬陶瓷刀具的增韌研究一直是材料學(xué)者努力的方向。本文在課題組前期研究的基礎(chǔ)上，制各了超細(xì)晶粒Ti(C,N)基金屬陶瓷刀具，對(duì)其切削性能進(jìn)行了研究，運(yùn)用有限元軟件建立了有限元切削仿真模型，仿真了切削過程，更加真實(shí)地揭示了刀具和工件的切削狀態(tài)，計(jì)算出了

2、刀具磨損量、切削力及溫度等分布規(guī)律。本文主要做了以下工作： 首先，介紹了金屬切削加工在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要性及加工技術(shù)發(fā)展對(duì)切削刀具的要求，刀具材料及金屬陶瓷的發(fā)展背景、目前面臨的問題以及今后的發(fā)展趨勢(shì)；Ti(C,N)基金屬陶瓷的組織性能和發(fā)展過程及其在切削刀具領(lǐng)域的應(yīng)用，納米復(fù)合陶瓷的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)；概述了金屬切削技術(shù)的復(fù)雜性和切削加工過程數(shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀和當(dāng)前存在的問題。 其次，詳細(xì)地?cái)⑹隽顺?xì)晶粒Ti(C,

3、N)基金屬陶瓷的制備過程，力學(xué)性能的測(cè)試方法以及顯微組織表征的方法：重點(diǎn)討論了超細(xì)晶粒Ti(C,N)基金屬陶瓷成分、顯微組織和宏觀力學(xué)性能之間的關(guān)系；研究了原始粉末粒度，不同粒度組合，TiC/TiN添加量，Mo、Co添加量對(duì)材料組織以及力學(xué)性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)：1)晶粒細(xì)化使材料的硬度上升，但抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性有所下降。2)原料粉末中過多的氧雜質(zhì)或者過量TiN的分解都會(huì)導(dǎo)致組織缺碳，在這些缺碳的組織中，發(fā)現(xiàn)了一種化學(xué)式為(Ni<,2>M

4、o<,2.5>W<,1.3>)Cx的特殊化合物。該物相的出現(xiàn)有利于提高材料的硬度，但是降低了材料的強(qiáng)度和韌性。3)在以亞微米Ti(C，N)為硬質(zhì)相為原料的試樣中出現(xiàn)了一種新型的白芯/灰殼結(jié)構(gòu)。本文認(rèn)為由于原始粉末粒徑微小，促進(jìn)了擴(kuò)散反應(yīng)，因而導(dǎo)致了這種芯/殼結(jié)構(gòu)的生成，初步研究表明這種結(jié)構(gòu)對(duì)提高材料的強(qiáng)韌性有利。4)Mo添加量的多少顯著影響材料的組織形貌，Co比Ni對(duì)Ti(C,N)的潤(rùn)濕性更好，以Ni+Co合金作為粘結(jié)相的材料其陶瓷相與

5、粘結(jié)相之間的界面強(qiáng)度得到了增強(qiáng)。5)由TiC粗粉所制得的材料組織具有較多的“黑芯-灰殼”結(jié)構(gòu)，有的顆粒全部呈灰色；而由TiC細(xì)粉所制得的材料組織，則呈現(xiàn)較多“黑芯-灰殼-白殼”Ti(C,N)基金屬陶瓷的典型三層結(jié)構(gòu)或白色內(nèi)殼層；“黑芯—灰殼”結(jié)構(gòu)中黑色芯部(core)主要為TiC或Ti(C,N)，灰色的殼層為(Ti,W,Mo)(C,N)，“自芯—灰殼”結(jié)構(gòu)中白色芯部(core)為(W,Mo,Ti)(C,N)固溶體。 此外，研究了

6、兩組刀具對(duì)45號(hào)鋼切削性能的影響，考察了不同切削速度和進(jìn)給量對(duì)刀具耐用度以及磨損/失效方式的影響。研究表明高速切削時(shí)刀具的磨損形式以氧化磨損和擴(kuò)散磨損為主。 基于剛粘塑性有限元法理論建立了金屬切削過程的二維和三維熱力耦合有限元模型，對(duì)建模過程中的一些關(guān)鍵問題如摩擦模型、切屑與工件的分離和斷裂準(zhǔn)則、磨損模型以及新刀具的復(fù)合材料模型等進(jìn)行了分析和處理，提出了較為有效的方法；所建立的模型的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合；結(jié)合切削理論和模擬計(jì)算

7、得到切削過程中的應(yīng)力應(yīng)變分布、溫度分布切削力的變化及大小，對(duì)前述物理實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象進(jìn)行分析，更加合理地解釋了物理實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象，使人們更加清晰地理解切削的內(nèi)部現(xiàn)象，更好地研究切削機(jī)理，為新材料刀具的研發(fā)提供依據(jù)；基于三維切削模擬，得到了刀具磨損量的適時(shí)變化和總磨損值的變化趨勢(shì)，在此基礎(chǔ)上，成功地對(duì)不同刀具前角進(jìn)行了仿真，由此得出不同切削前角刀具的磨損、溫度及等效應(yīng)力的變化曲線。上述的研究表明，如果精選成分并對(duì)刀具的幾何外形和切削參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，