金属玻璃(Vit1)切削加工刀具磨损形态研究

摘要

锆基金属玻璃由于微观原子排列的长程无序、短程有序的排列特性，宏观上表现出高强度、高硬度、高断裂韧性等优良的力学和理化性能，在国防及民用工业领域中展现出广阔的应用前景。锆基金属玻璃的高硬度、低弹性模量、低导热系数等特性又使它成为一种典型的难加工材料，从现有切削加工实验中发现刀具磨损严重，加工成本高。作为一种新型工程材料，现有文献中对于金属玻璃的切削加工磨损问题未见系统报道。本文以 Vit1型块体金属玻璃（Zr41.2Ti13.8Cu12.5Ni10.0Be22.5）为加工对象，选取硬质合金和 PCBN刀具对其进行车削加工实验，系统研究两种刀具的磨损形态并尝试探讨机理，以期为企业对金属玻璃切削加工的刀具选型、刀具设计等提供实验参考。
　　实验设计部分针对Vit1型金属玻璃的材料特性，结合常见硬脆难加工材料的刀具选择原则及刀具厂家的意见，选取山高公司的CVD双涂层硬质合金刀具（型号：SNMA120408 TK2001）和无涂层的PCBN刀具（型号：SNGA120408S-02020-L1-D CBN200）。由于实验棒料的温敏特性以及棒料数量和尺寸的客观条件，实验中采用改变切削速度的单因素实验法：切削深度ap=0.2mm；进给速度 vf=0.1 mm/r；切削速度分别为为v1=0.52 m/s，v2=0.3 m/s，v3=0.2 m/s。
　　借助激光扫描共聚焦显微镜、扫描电子显微镜对硬质合金刀具切削Vit1金属玻璃的刀具磨损形貌进行观测，利用背散射成像和EDS能谱分析进行元素表征。观测结果发现刀具磨损形态主要以前刀面月牙洼磨损、涂层剥落磨损、积屑瘤磨损为主；后刀面磨损形态主要表现为涂层剥落磨损和裂纹；刀具刃口区域由于切屑沾附未能判断是否发生了微崩刃磨损。另外，随着切削速度的降低磨损区域长度呈明显增加是一个明显的磨损特征。结合刀具磨损形态、切削力以及刀具声发射信号的时域分析，发现切削过程中刀具存在严重的机械冲击磨损；通过分析前后刀面磨损形态和EDS能谱结果，发现粘接磨损存在于刀具的前后刀面，而氧化磨损主要存在于前刀面；刀具磨损区域纵向剖面的背散射成像和EDS能谱分析显示刀具存在严重的扩散磨损，工件元素向刀具材料中的扩散深度约为2.2μm。
　　PCBN刀具的磨破损形态主要以刀尖崩刃、前刀面刀具材料片状剥落、主切削刃的粘屑和微崩刃为主。PCBN刀具的磨破损程度同样与切削速度存在很高的负相关性，即随着切削速度的降低刀具磨破损越剧烈。通过分析切削力和刀具的声发射信号数据认为PCBN刀具磨破损主要是由于Vit1金属玻璃棒料的材料特性导致切削系统产生了剧烈振动，振动冲击使刀具的刀尖和前刀面发生了剧烈破损。最后对切削棒料的已加工表面进行了XRD物质结构检测，发现表面仍然是非晶态并未因为车削加工而发生晶化现象。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题来源

1.2 课题背景

1.3 金属玻璃的特性与应用

1.4 金属玻璃机械加工研究现状

1.5 本课题研究的目的和意义

1.6 本章小结

第2章 切削Vit1金属玻璃刀具磨损实验

2.1 实验系统

2.2 切削用量的选择

2.3 切削实验

2.4 本章小结

第3章 切削Vit1金属玻璃硬质合金刀具磨损研究

3.1 硬质合金刀具的磨损形态

3.2 硬质合金刀具的磨损机理

3.3 小结

第4章 切削Vit1金属玻璃PCBN刀具磨破损研究

4.1 PCBN刀具的磨破损形态

4.2 PCBN 刀具的破损机理

4.3 Vit1金属玻璃棒料车削表面晶化情况

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢