難加工材料切削刀具磨損的熱力學(xué)特性研究.pdf

1、高速切削時(shí),尤其是高速切削鈦合金及高溫合金等難加工材料時(shí),刀具和工件之間的相互作用導(dǎo)致工件局部產(chǎn)生劇烈的塑性變形,刀具工件間產(chǎn)生劇烈的摩擦,產(chǎn)生大量的切削熱,導(dǎo)致刀具磨損過快,換刀頻繁,刀具壽命短、消耗量大成為制約高速切削加工技術(shù)廣泛應(yīng)用的主要瓶頸之一。高速切削過程是一個(gè)局部產(chǎn)生高溫、高壓、高應(yīng)變和高應(yīng)變率的非線性動(dòng)態(tài)隨機(jī)過程。本文針對(duì)難加工材料鈦合金和高溫合金材料,從熱力學(xué)的角度系統(tǒng)研究切削加工刀具的磨損機(jī)理。
　　 借助于非

2、平衡態(tài)熱力學(xué)理論,建立高速切削過程的熱力學(xué)體系。分析該體系的的熵流和熵產(chǎn)生；對(duì)高速切削過程的熱力學(xué)體系的各子過程之間的耦合進(jìn)行研究,結(jié)果表明:雖然按照居里原理,不同張量階的子過程之間不存在耦合,但通過體系結(jié)構(gòu)和元素的變化仍可產(chǎn)生相互影響。對(duì)高速切削過程的熱力學(xué)體系的刀具和工件之間的相互作用進(jìn)行分析,分析結(jié)果表明擴(kuò)散、粘結(jié)、氧化和塑性變形各因素之間的復(fù)雜非線性作用使切削熱力學(xué)體系具有區(qū)別于一般熱力學(xué)體系的顯著特征:高速切削過程熱力學(xué)體系各

3、因素之間呈復(fù)雜非線性作用,而普通的熱力學(xué)體系各因素之間滿足居里原理,即具有不同熱力學(xué)張量階的因素間不存在耦合。
　　 采用DEFORM-3D有限元軟件,建立了正交切削加工的仿真模型。采用熱力學(xué)的本構(gòu)方程描述材料的流動(dòng)應(yīng)力行為,并把刀具視為非剛體,采用單元自適應(yīng)網(wǎng)格重劃分技術(shù)與分離準(zhǔn)則相結(jié)合實(shí)現(xiàn)切屑與工件的分離,選用無量綱Cockcroft Latham斷裂準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)材料的斷裂,摩擦模型的建立通過劃分粘結(jié)區(qū)和滑動(dòng)區(qū),分別應(yīng)用不同的摩

4、擦系數(shù)來描述。基于仿真模型預(yù)測(cè)熱力耦合作用下工件、切屑中的非均勻應(yīng)變場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及切削力。設(shè)計(jì)正交切削實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了模型的正確性。
　　 基于擴(kuò)散的熱力學(xué)原理,研究硬質(zhì)合金刀具材料的溶解擴(kuò)散機(jī)制并進(jìn)行計(jì)算,分析硬質(zhì)合金刀具的擴(kuò)散磨損特點(diǎn)。利用材料學(xué)的二元相圖用反求法求解一種元素溶入另一種元素中的超額自由能,并利用此法求解碳元素在鋁中的超額自由能。研究表明:WC基硬質(zhì)合金刀具在高速切削鐵基高溫合金時(shí)抗擴(kuò)散磨損的能力低于TiC

5、、TaC和NbC含量較多的硬質(zhì)合金刀具。對(duì)硬質(zhì)合金刀具分別與高溫合金GH907和鈦合金TC4的擴(kuò)散進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算一致。
　　 以發(fā)生氧化反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能為判據(jù),研究高速切削時(shí)刀具的氧化磨損。計(jì)算硬質(zhì)合金刀具在不同溫度下可能的氧化反應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能,對(duì)反應(yīng)發(fā)生的可能性進(jìn)行排序,分析各個(gè)反應(yīng)的特點(diǎn),結(jié)果表明產(chǎn)物中WO3、CoWO4和TiO2含量較多,證明中間產(chǎn)物Co3O4會(huì)繼續(xù)和WO及氧氣發(fā)生劇烈的氧化反

6、應(yīng),生成CoWO4,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)論與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。同時(shí)對(duì)PCBN刀具和氧化鋁陶瓷刀具的氧化產(chǎn)物進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算,并分析這兩種刀具的氧化磨損特點(diǎn)。
　　 建立刀具粘結(jié)磨損的熱力學(xué)模型。用白光干涉儀、紅外熱像儀和SEM-EDS等技術(shù)手段研究刀具的粘結(jié)磨損,通過分析兩種不同的工件材料形成的刀具磨損來研究刀具的磨損形態(tài)、磨損機(jī)理以及磨損過程規(guī)律,分析切削時(shí)間和切削速度對(duì)粘結(jié)磨損的影響。研究表明:高速車削鐵基高溫合金GH907和鈦合金

7、FC4時(shí),刀具的粘結(jié)磨損均在切削速度v=200m/min時(shí)較為嚴(yán)重,在切削速度v=300m/min時(shí),刀具和工件材料之間的粘結(jié)顯著減輕,主要因?yàn)槭遣牧蠠彳浕?yīng)造成的。
　　 基于熱力學(xué)理論核心原理一最小能耗原理,證明了一個(gè)假設(shè)三個(gè)約束條件下的切削過程熱力學(xué)體系的最小熵產(chǎn)生,建立第一變形區(qū)剪切變形區(qū)和第二變形區(qū)刀屑摩擦區(qū)的熵產(chǎn)生模型,分析切削參數(shù)對(duì)熵產(chǎn)生的影響,并用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證模型的正確性。結(jié)果表明由于切削過程的復(fù)雜性和影響因素的多

8、樣性使得切削過程的流和力不滿足線性關(guān)系,變形區(qū)的熵產(chǎn)生無最小值,呈發(fā)散狀態(tài)。高速切削過程的熱力學(xué)機(jī)制和理論探索有待于進(jìn)一步深入研究。
　　 本課題得到國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2009CB724401)、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50705052)、教育部博士點(diǎn)基金新教師項(xiàng)目資助(20070422032)和高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備科技重大專項(xiàng)(2009ZX04014-043、2009ZX04014-012、2009ZX04014-