304、20Cr钢的摩擦特性及涂层刀具干切削性能研究

摘要

干式切削作为一种绿色制造技术近年来被广泛应用于各类机械加工中，随着表面工程技术的高速发展，以TiN涂层为代表的涂层刀具加速了干式切削加工的发展。由于涂层刀具可以不改变基体几何尺寸及外形，且具有较高的硬度和耐磨性等优势，采用涂层刀具进行切削加工越来越受到重视。针对目前一些难加工材料，采用涂层刀具进行干切削试验研究成为切削加工领域的热点。
　　本文主要采用TiN涂层刀具对304不锈钢和20Cr钢进行干切削试验，内容包括:(1)通过加工获得304不锈钢和20Cr钢试件，以氮化硅陶瓷球作为摩擦配副，通过往复滑动试验研究法向载荷对各自材料摩擦系数、磨损量的影响，并分析其摩擦机理;(2)采用未涂层刀具与TiN涂层刀具加工304不锈钢时对切削力和切削温度的研究，主要通过单因素试验法研究切削用量对各自目标参数的影响，通过正交试验法研究切削力和切削温度的最优切削参数，并进行试验验证;(3)采用TiN涂层刀具对20Cr钢进行干切削试验研究，主要包括单因素试验法研究改变切削参数对切削力和切削温度的影响，基于响应曲面法获得切削力和切削温度的预测模型，并对其进行试验验证;(4)结合有限元软件对切削加工进行仿真，主要对切屑形成过程、切屑温度分布和切削力动态跟踪等进行研究，分析各自变化机理及规律，并对切削温度进行试验验证。综上研究可知:
　　(1)通过往复滑动摩擦磨损试验可知，304不锈钢与20Cr钢的摩擦系数和磨损量均随载荷增大而增大，同载荷下的摩擦系数均是304不锈钢大于20Cr钢。
　　(2)针对304不锈钢材料加工，采用TiN涂层刀具比未涂层刀具的切削力和切削温度都小;随着切削速度的增大，三向力呈现先增大后减小的趋势，切向力和径向力随进给量的增加而增大，三向力对背吃刀量的变化特别明显，近似成倍增加;切削温度总体随切削速度和进给量的增大而升高，改变背吃刀量对切削温度的影响不明显;采用正交试验，用TiN涂层刀具对不锈钢进行试验，获得切削力和切削温度的最优组合参数分别为A2B1C1、A1B1C3。
　　(3)采用涂层刀具对20Cr钢进行切削试验，切向力随切削速度的增大而减小，三向力随进给量和背吃刀量的增大而增大，但背吃刀量的影响程度更大;切削温度随切削用量的变化较为明显，切削温度总体随切削用量的增大而升高;基于响应曲面设计获得切削力和切削温度的预测模型，误差分别为2.96％、5.06％。
　　(4)通过DEFORM-3D软件仿真涂层刀具车削加工304不锈钢，切屑的变形主要来自刀尖剪切和挤压，第Ⅱ变形区的温度最高，切削温度的仿真数值与试验值误差在4.5％～8.14％之间，具有较好的一致性。

目录

声明

摘要

第1章 文献综述

1．1 金属干式切削概述

1．2 金属摩擦学概述

1．3 不锈钢的特点及切削研究现状

1．4 PVD-TiN涂层刀具切削研究现状

1．5 金属切削加工有限元仿真研究现状

1．6 有待解决的问题

第2章 绪论

2．1 研究背景及意义

2．2 课题来源和主要研究内容

2．2．1 课题来源

2．2．2 主要研究内容

第3章 试验设备与材料

3．1 试验设备

3．1．1 试验机床

3．1．2 数显双洛氏硬度计

3．1．3 SFT-2M销盘式摩擦磨损试验机

3．1．4 PVD-TiN涂层沉积设备

3．1．5 切削力检测设备

3．1．6 切削温度检测设备

3．2 试验材料

第4章 304不锈钢与20Cr钢的摩擦特性研究

4．1 材料硬度

4．1．1 硬度定义与测量方法

4．1．2 硬度测量试验

4．2 摩擦系数

4．2．1 不同法向载荷对304不锈钢摩擦系数的影响

4．2．2 不同法向载荷对20Cr钢摩擦系数的影响

4．3 磨损量

4．4 本章小结

第5章 304不锈钢切削力试验研究

5．1 TiN涂层与未涂层刀具对不锈钢切削力的单因素试验

5．1．1 切削速度对切削力的影响

5．1．2 进给量对切削力的影响

5．1．3 背吃刀量对切削力的影响

5．2 TiN涂层对不锈钢切削力的正交试验

5．2．1 正交试验安排及结果分析

5．2．2 优化参数的试验验证

5．3 本章小结

第6章 304不锈钢切削温度试验研究

6．1 TiN涂层与未涂层刀具对不锈钢切削温度的单因素试验

6．1．1 切削速度对切削温度的影响

6．1．2 进给量对切削温度的影响

6．1．3 背吃刀量对切削温度的影响

6．2 TiN涂层对不锈钢切削温度的正交试验

6．2．1 正交试验准备

6．2．2 试验结果及分析

6．2．3 优化参数的试验验证

6．3 本章小结

第7章 20Cr钢干切削试验研究

7．1 试验准备与方法

7．2 切削用量对涂层刀具切削力的影响

7．2．1 切削速度对涂层刀具切削力的影响

7．2．2 进给量对涂层刀具切削力的影响

7．2．3 背吃刀量对涂层刀具切削力的影响

7．2．4 基于响应曲面法建立切削用量对涂层刀具切削力的预测模型

7．3 切削用量对涂层刀具切削温度的影响

7．3．1 切削速度对涂层刀具切削温度的影响

7．3．2 进给量对涂层刀具切削温度的影响

7．3．3 背吃刀量对涂层刀具切削温度的影响

7．3．4 基于响应曲面法建立切削用量对涂层刀具切削温度的预测模型

7．4 本章小结

第8章 切削加工的有限元分析及试验验证

8．1 DEFORM-3D软件介绍

8．2 切削加工过程的有限元模型建立

8．2．1 刀具模型参数

8．2．2 工件材料属性定义

8．2．3 切削动态方案及边界设置

8．2．4 切屑分离准则及刀-屑摩擦设置

8．2．5 刀具磨损模型

8．3 有限元仿真结果分析及试验验证

8．3．1 切屑温度的动态研究

8．3．2 切削力的动态研究

8．3．3 切削温度的试验验证

8．4 本章小结

第9章 结论与展望

9．1 结论

9．2 展望

参考文献

致谢

发表论文及参加课题