基于离散元法的涂层硬质合金刀具建模及其加工损伤预测研究

摘要

涂层硬质合金刀具较好地结合了基体材料高强度、高韧性和涂层材料高硬度、高耐磨性的优点，极大地提高了涂层刀具的切削性能，延长了工具的使用寿命，被广泛应用于车削、铣削、钻削等机械加工场合，尤其在干切削、高速切削等领域发挥不可替代的作用。与此同时，由于刀具涂层与基体材料的弹性模量、热膨胀系数等不一样，在切削过程中（尤其是断续切削时），当受到冲击或交变载荷作用时，切削刃附近的涂层内部将会出现裂纹，导致涂层局部剥落以及产生粘结层等现象，进而影响其切削性能以及加工效率。本文采用离散元法建立涂层硬质合金刀具的离散元模型，对涂层硬质合金刀具切削过程进行数值仿真，预测切削加工用量对涂层刀具裂纹扩展及破坏的影响。其主要研究内容如下：
　　1.介绍了论文的研究背景以及意义，对涂层硬质合金刀具切削性能、离散元法在脆性材料切削加工中的应用以及刀具磨损等方面的研究现状进行了简单介绍。
　　2.建立了适合于切削过程的涂层硬质合金刀具的离散元模型。根据涂层硬质合金刀具的物理特性选用合适的颗粒几何参数、刚度参数、接触参数等，根据涂层硬质合金刀具涂层、基体以及结合界面的不同特性，分别对涂层与基体内部的颗粒使用平行键模型连接，而涂层与基体界面结合处则采用位移软化模型表征结合界面的双线性本构关系。
　　3.校准了涂层硬质合金刀具的离散元模型。由于涂层硬质合金刀具涂层材料的特殊性和结合界面的复杂性，本文首先通过三点弯曲、单轴压缩、单边切口梁等数值实验方法初步校准涂层刀具硬质合金基体离散元模型的微观参数；在此基础上，通过模拟涂层硬质合金刀具的纳、微米压痕和变载荷划痕试验过程，通过对模拟结果与实验结果中的切向力、摩擦系数、压痕压入载荷与深度变化的曲线等进行对比，进一步校准了涂层硬质合金刀具离散元模型的微观参数。
　　4.利用已校准的涂层硬质合金刀具离散元模型，对涂层硬质合金刀具切削加工过程进行了离散元模拟，分析了涂层刀具在切削过程中的材料磨损、裂纹的形成与扩展和局部剥落的演化过程；预测了切削加工用量和刀具制备参数对刀具磨损的影响。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 涂层硬质合金刀具磨损的研究现状

1.3 离散元法在硬脆性材料切削加工中的应用

1.4 本文研究的内容、目的及意义

第2章 涂层硬质合金刀具划痕、压痕实验研究

2.1 涂层硬质合金刀具的划痕实验

2.2 涂层硬质合金刀具的微、纳米压痕实验

2.3 本章小结

第3章 涂层硬质合金刀具的离散元建模

3.1 离散元法及PFC简介

3.2 涂层刀具硬质合金基体的离散元建模

3.3 涂层硬质合金刀具的离散元建模

3.4 涂层硬质合金刀具离散元模型的校准

3.5 涂层硬质合金刀具离散元模型的验证

3.6 本章小结

第4章 TiCN涂层硬质合金刀具加工过程中的损伤预测

4.1 涂层硬质合金刀具切削加工过程离散元模型的建立

4.2 涂层硬质合金刀具切削磨损过程的分析

4.3 预测切削用量对涂层硬质合金刀具磨损的影响

4.4 制备参数对涂层硬质合金刀具磨损的影响

4.5 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

在学期间发表的学术论文与研究成果