切削40CrMnMo的硬质合金刀具前刀面微槽创新设计研究

摘要

刀具前刀面切削刃近域作为切削过程热载荷和机械载荷高度集中区域，工作条件十分恶劣，对刀具耐用度影响显著。前刀面微结构设计对刀具综合切削性能的提升有重要影响。本文以企业生产实际采用的石油管材40CrMnMo专用硬质合金涂层车刀(以下简称“原车刀”)为研究对象，以“降低刀具切削温度和提高刀具耐用度”为主要目的，提出基于温度场的刀具前刀面微槽创新设计方法，基于该方法研制一款刀具综合切削性能优于原车刀的硬质合金涂层微槽车刀(以下简称“微槽车刀”)，重点对该新型微槽车刀的综合切削性能(抗脆性破损能力、耐用度、切削温度、切削力及加工表面质量等)、降温机理及磨损机理展开研究。
　　提出并建立基于温度场的刀具前刀面微槽创新设计方法。以Deform-3D为切削仿真平台，对原车刀切削过程进行有限元数值模拟，经过数据提取与处理，获得数值模拟初始状态下优选范围温度场内有效点云数据。以NX8.5为三维建模平台，通过该平台二次开发接口，逆向生成NURBS温度场网格曲面。基于Deform-3D切削仿真平台和ANSYS Workbench有限元分析平台，建立合理的试验方案，修正并优选前刀面槽形关键参数，为微槽车刀设计方案的确定提供理论依据。
　　提出并建立基于Peridynamic(PD)理论的硬质合金微槽车刀脆性破损数值分析方法。针对微槽车刀前刀面异形曲面几何特征和热物性能，在Microsoft Visual Studio2015集成环境下，以C++程序语言为表达媒介，实现原车刀和新型微槽车刀的PD建模与数值分析。借助MATLAB可视化模块，实现两车刀PD数值分析结果可视化。通过离散物质点的位移量及位移趋势重点分析了车刀主切刃近域破损情况，对比评价原车刀和微槽车刀在各自切削过程中三向冲击载荷作用下的力学可靠性，从而为新型微槽车刀的制备提供理论支撑。
　　新型微槽车刀切削40CrMnMo过程的基础理论研究。建立新型微槽车刀切削石油管材常用材料40CrMnMo的力学模型。基于Oxly-Welsh理论建立微槽车刀切削40CrMnMo的切削模型。借助有限元仿真平台，建立微槽车刀切削40CrMnMo过程的摩擦模型。结合切削试验和理论分析结果，综合考虑剪切区尺寸效应、应变硬化效应及材料热软化效应对切削过程的影响，揭示和分析工件材料变形机理及其热、力学特性。
　　建立基于刀具切削性能的前刀面微槽设计评价方法。本文通过研究前刀面微槽对切削过程热、力学模型的影响，剪切变形区主要力学参数与切削能的关系，切削过程切削能的产生、传递与转化及刀具前、后刀面磨损形貌和化学成分，揭示微槽车刀降温机理和磨损机理，从而建立以“降低刀具切削温度和提高刀具耐用度”为主要目标的微槽车刀切削性能综合评价方法。
　　本文通过理论分析与计算、试样制备与应用、数学建模与数值模拟、实例验证与性能评价相结合的方法，建立基于温度场的刀具前刀面微槽创新设计方法。结合企业生产实际，基于该设计方法，设计并制备出新型硬质合金涂层微槽车刀。通过切削试验和理论分析发现：相较于原车刀，该新型微槽车刀切削温度得到降低，耐用度得到提高，主要切削性能优于原车刀；建立了该新型微槽车刀切削过程的热、力学模型，并揭示其降温机理和磨损机理。综上所述，本文所建立的切削40CrMnMo硬质合金刀具前刀面微槽创新设计方法对于刀具前刀面创新设计具有一定借鉴意义。
　　本课题得到国家自然科学基金（51265005）、教育部博士点基金（20125201110001）以及国家自然科学基金（51665007）的资助。

目录

主要符号索引

第1章 绪 论

1.1课题研究背景

1.2国内外研究现状

1.3课题研究目的、意义与拟解决问题

1.4课题主要研究内容与论文构架

第2章 40CrMnMo切削刀具前刀面微槽创新设计

2.1温度场曲面逆向造型方法的研究

2.2槽形对微槽车刀切削力和切削温度的影响

2.3槽形对微槽车刀切削刃近域强度的影响

2.4微槽车刀前刀面槽形关键参数的确定

2.5本章小结

第3章 刀具脆性破损数值预测评价与刀具制备

3.1近场动力学理论基础模型与数值方法研究

3.2基于VS环境的车刀PD模型的构建

3.3车刀脆性破损数值预测分析与评价

3.4微槽车刀设计方案的确定与刀具的制备

3.5本章小结

第4章 微槽车刀切削40CrMnMo过程的热、力学特性研究

4.1剪切区力学模型

4.2微槽车刀车削40CrMnMo的切削模型

4.3刀屑接触界面摩擦模型

4.4剪切区尺寸效应、应变硬化及热软化效应对材料热、力学特性的影响

4.5本章小结

第5章 微槽车刀切削性能试验研究

5.1刀具切削性能对比研究

5.2微槽车刀降温机理研究

5.3微槽车刀磨损机理研究

5.4本章小结

第6章 结论与展望

6.1研究结论

6.2课题创新点

6.3工作展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的论文、申请的专利、参与的项目及获得的奖励

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