PCBN刀具高速车削镍基高温合金的磨损机理研究

摘要

镍基高温合金GH4169以其超高的耐热度和高温良好化学和物理特性被广泛应用于航空发动机中涡轮叶片、叶轮等高温零部件的制造。但由于其加工性能差，切削时刀具磨损大，加工质量不高等问题仍限制着镍基高温合金的普及推广与应用。随着我国航空航天技术的迅猛发展和以PCBN刀具为典型代表的高硬度、高耐用度刀具的开发应用不断深入，为满足高质高精镍基高温合金零件的加工要求，如何高效应用PCBN刀具解决镍基高温合金GH4169加工性能差的问题已成为目前航空航天制造领域研究的热点之一。为此，本文以PCBN刀具高速车削镍基高温合金的磨损机理综合研究为对象，采用切削试验和数值分析、极差分析、有限元仿真模拟等技术手段，深入分析PCBN刀具高速切削镍基高温合金GH4169的刀具磨损形貌、磨损机理以及切屑宏微观形貌。揭示切削参数对刀具磨损机理的影响规律，具体研究工作如下：
　　1）刀具耐用度、磨损微观形貌与能谱试验分析。基于切削试验，研究PCBN刀具在高速条件下切削镍基高温合金GH4169的刀具耐用度，分析不同切削用量对刀具耐用度的影响，并建立耐用度经验公式；再利用扫描电镜和能谱分析仪观察刀具磨损的状况并分析刀具表面元素，为确定刀具磨损机理与刀具磨损类型提供理论依据。
　　2）刀具磨损预测模型的建立。根据刀具磨损的相关理论研究，结合Archard提出的刀具磨损模型，通过相关推导和经验公式的代入，得出PCBN刀具高速切削镍基高温合金GH4169的磨损预测模型。
　　3）切屑宏观与微观形貌试验分析。基于切削试验，对比不同切削用量条件下PCBN刀具高速切削镍基高温合金GH4169的切屑宏观形貌，并借助扫描电镜观察其锯齿化程度、锯齿频率以及锯齿毛边等，为切屑对刀具磨损的影响提供理论依据。
　　4）刀具磨损有限元分析。应用Deform-3D软件建立PCBN高速切削镍基高温合金的模型，针对不同切削参数，通过切削过程模拟仿真分析切削温度和刀具磨损程度的变化情况，并与试验结果对比，验证其正确性；再利用Deform-2D软件建立切削模型，模拟切削过程中不同切削参数条件下的切屑形貌变化过程，探究切屑锯齿状随切削用量的变化规律。
　　综上，本文的研究为完善PCBN刀具高速车削镍基高温合金GH4169的刀具磨损机理的理论体系奠定基础，并有效提升PCBN刀具高效加工镍基高温合金等难加工材料的工艺水平。

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主要符号说明表

第一章 绪 论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究的现状

1.3 研究目标及主要内容

第二章 PCBN刀具磨损形貌试验研究

2.1 PCBN刀具磨损试验

2.2 基于高速切削试验的结果分析

2.3 高速切削时PCBN刀具磨损试验分析

2.4 本章小结

第三章 PCBN刀具后刀面磨损预测模型的建立

3.1 粘结磨损的各种观点

3.2 磨损模型的建立

3.3 预测模型的正确性验证

3.4 本章小结

第四章 镍基高温合金的切屑形貌与机理研究

4.1 高速车削镍基高温合金切屑形貌试验

4.2 切屑变形特点

4.3 切屑宏观分析

4.4 切削微观分析

4.5 切屑锯齿状变形分析

4.6 切屑形貌对刀具磨损的影响

4.7 本章小结

第五章 PCBN刀具高速切削镍基高温合金的有限元仿真分析

5.1 切削温度的有限元模拟仿真

5.2 刀具磨损的有限元模拟仿真

5.3 切屑成形的有限元模拟仿真

5.4 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及研究成果