Ti(C,N)涂层刀具磨损失效分析及数值模拟研究

摘要

针对生产过程中Ti(C,N)涂层刀具切削Cr12模具钢时磨损比较严重的问题,采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电镜(SEM)、X射线能谱(EDS)、透射电镜(TEM)等实验手段分析了Ti(C,N)涂层刀具切削性能,同时采用有限元软件对刀具切削磨损过程进行了数值模拟,得出了刀具磨损失效的因为。
　　 我们首先分析了涂层刀具的发展,涂层材料的性能,总结了刀具切削过程中刀具切削力、切削温度变化情况,然后对刀具的磨损过程和磨损主要类型进行分析,在此基础上提出本文的研究目的和研究意义。
　　 研究了相同的刀具在不同的切削参数下切削相同时间,切削力的变化与刀具磨损之间关系。结果表明:当刀具磨损量增大时其切削力增加明显,800N左右为Ti(C,N)涂层WC基硬质合金整体立铣刀铣削Cr12钢的严重磨损判断的界线。切削参数对切削力大小影响依次为轴向铣削深度ap影响最大,径向铣削深度ae影响次之,铣削速度vc和主轴转速n影响最小。因此优化后的切削参数应满足轴向切削深度尽量小于1.5mm,径向切削深度不宜大于5mm,切削速度应低于691m/min,主轴转速小于22000r/min。
　　 研究了刀具磨损与Ti(C,N)涂层组份和WC基体材料性能的关系。结果表明:Ti(C,N)涂层中当C含量小于1.0wt％时,随着C含量的增加,材料组织和力学性能较好;Ni含量的增加,材料抗弯强度增大。刀具利用涂层材料低的摩擦系数降低切削力,远离800N。其切削性能T01>T02>T03,而T03刀具磨损形式主要是扩散磨损和粘结磨损。
　　 模拟了在不同切削参数下刀具切削力的变化,验证了800N为刀具严重磨损判断的界线。模拟了在相同切削参数下涂层刀具和未涂层刀具切削力变化情况,验证了涂层材料能降低切削力、减小切削热,保护切削刃,避免产生崩刃的作用。验证了刀具前刀面靠近主切削刃处容易磨损是由于在高速切削加工中,切削温度高,导致粘结、氧化和扩散磨损加剧造成的。

目录

文摘

英文文摘

图清单

表清单

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 涂层刀具研究

1.2.1 涂层刀具的发展过程

1.2.2 Ti(C,N)金属陶瓷性能

1.3 切削过程数值模拟分析

1.3.1 切削热和切削温度的研究

1.3.2 表面残余应力的研究

1.3.3 切屑形成机理研究

1.4 切削力的影响因素

1.4.1 切削力的产生与分解

1.4.2 影响切削力的因素

1.5 切削温度的影响因素

1.5.1 切削温度的影响

1.5.2 刀具磨损的影响

1.6 刀具磨损分析

1.6.1 刀具磨损过程

1.6.2 刀具磨损主要类型

1.7 本文的研究内容及具体工作

1.7.1 研究内容来源

1.7.2 研究目的

1.7.3 研究内容

1.7.4 研究目标

第二章 Ti(C,N)涂层刀具磨损试验研究

2.1 引言

2.2 试验条件

2.2.1 机床选择

2.2.2 刀具选择

2.2.3 工件材料选择

2.2.4 测量仪器

2.2.5 试验测试系统组成

2.3 试验方案

2.3.1 试验方案

2.3.2 切削参数选择

2.3.3 刀具性能测定

2.4 试验结果及分析

2.4.1 切削力分析

2.4.2 减小刀具磨损的措施

2.5 本章小结

第三章 Ti(C,N)涂层刀具失效分析

3.1 引言

3.2 分析方法

3.3 Ti(C,N)涂层材料对刀具磨损影响

3.3.1 Ti(C,N)层组织分析

3.3.2 化学成份对Ti(C,N)性能影响

3.3.3 Ti(C,N)涂层对刀具磨损影响

3.4 WC基体材料对刀具磨损影响

3.5 刀具磨损形式分析

3.6 减小刀具磨损的措施

3.6.1 刀具材料

3.6.2 切削参数

3.7 本章总结

第四章 Ti(C,N)涂层刀具切削有限元模拟分析

4.1.引言

4.2 有限元模型建立

4.2.1 几何模型的建立

4.2.2 材料模型的建立

4.2.3 摩擦模型的建立

4.2.4 刀具磨损量的模拟计算

4.2.5 网格畸变和网格重划分

4.2.6 二维切削有限元模型的建立

4.2.7 三维切削有限元模型的建立

4.3 金属切削有限元模拟结果

4.3.1 金属切削过程中切削力分析

4.3.2 金属切削过程中温度场分析

4.3.3 不同材料刀具磨损性能对比

4.3.4 金属切削过程中应力场分析

4.4 本章总结

第五章 结论

5.1 结论

5.2 减少失效方法

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录