高速切削用陶瓷刀具多尺度設計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，本文針對研制過程存在的盲目性和實驗量大的弊端，提出了復合陶瓷刀具材料的多尺度設計理論，揭示了復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合陶瓷刀具材料，并對刀具材料的燒結(jié)工藝、微觀組織、增韌補強機理、室溫和高溫力學性能、動態(tài)疲勞性能、切削性能和切削可靠性進行了系統(tǒng)研究。
　　提出了復合陶瓷刀具材料的多尺度設計理論。建立了刀具材料抗彎強度預測模型、殘余應力力學模

2、型、納米顆粒最優(yōu)含量數(shù)學模型和金屬相完全填充顆粒間隙時的最優(yōu)含量數(shù)學模型。
　　根據(jù)復合陶瓷刀具材料抗彎強度預測模型、刀具材料殘余應力力學模型、納米顆粒最優(yōu)含量數(shù)學模型和金屬相完全填充顆粒間隙的最優(yōu)含量數(shù)學模型，設計了兩種Al2O3基多尺度顆粒復合陶瓷刀具材料，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Al2O3基多尺度顆粒復合陶瓷刀具材料室溫力學性能和微觀組織的影響。結(jié)果表明，當納米TiC顆粒的含量為6vol.％時，裂紋沿晶與穿晶擴展的比例適當，材料的抗彎強度和斷裂韌度較好，驗證了納米顆粒最優(yōu)含量數(shù)學模型的正確性;金屬Co含量過少或過多時，材料力學性能均降低，其存在一最佳含量，從而驗證了金屬相最優(yōu)含量數(shù)學模

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℃、保溫時間為20min和燒結(jié)壓力為32MPa時獲得最優(yōu)的室溫力學性能，其抗彎強度、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℃、保溫時間為30min和燒結(jié)壓力為32MPa時獲得最優(yōu)的室溫力學性能，其抗彎強

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基多尺度顆粒復合陶瓷刀具材料的增韌補強機理。結(jié)果表明，微米增強顆粒的主要增韌補強機理是晶粒橋接和裂紋偏轉(zhuǎn);納米增強顆粒的主要增韌補強機理是晶界釘扎、晶粒細化、裂紋二次偏轉(zhuǎn)和穿晶斷裂;金屬相的主要增韌補強機理是基體中的殘余拉應力降低和界面結(jié)合強度提高。
　　研究了陶瓷刀具材料的高溫力學性能和動態(tài)疲勞性能，揭示了陶瓷刀具材料高溫力

6、學性能和動態(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裂紋緩慢擴展機理模型，提出了陶瓷刀具材料高溫抗彎強度、高溫斷裂韌度和動態(tài)疲勞性能的弱化機理。結(jié)果表明，Al2O3-TiCμ-TiCn-Co陶瓷刀具材料的抗彎強度隨著溫度的升高而降低，斷裂韌度隨溫度的升高先降低，當溫度達到1200℃時材料發(fā)生一定的塑性變形，此時斷裂韌度升高。不含金屬相的刀具材料的室溫抗彎強度和高溫抗彎強度差別較小;含金屬相的刀具材料抗彎強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度降低幅度越大。該陶瓷刀具材料在室溫和高溫時均存在亞臨界裂紋擴展行為;與室溫相比，材料在高溫時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的抗疲勞性能。Al2O3-TiCμ-TiCn-Co陶瓷刀具材料高溫抗彎強度的主要弱化機理是材料被氧化侵蝕，微觀組織被破壞;高溫時富金屬相晶界變軟，界面結(jié)合強度降低，裂紋傾向于沿晶擴展，并產(chǎn)生沿晶斷裂;高溫時材料的彈性模量降低;材料發(fā)生塑性變

8、形，晶界移動產(chǎn)生晶界缺陷。該陶瓷刀具材料在室溫和900℃高溫時的疲勞失效機理是應力腐蝕裂紋，在1200℃高溫時的疲勞失效機理主要是蠕變。
　　研究了陶瓷刀具加工難加工材料時的切削性能和切削可靠性。創(chuàng)建了陶瓷刀具材料動態(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v=8

9、0m/min，f=0.15mm/r，ap=0.1mm時，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時刀具磨損的可靠壽命約為9min;刀具可靠度為0.8～0.9時，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，其主要失效機理是磨粒磨損和粘結(jié)磨損。研究了Al2O3基多尺度顆粒復合陶瓷刀具連續(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v=60m/min，f=0.1mm/r，ap=0.1mm時，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數(shù)正態(tài)分布。刀具可靠度為0.5時，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，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，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，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