42CrMo钢的刀具材料匹配及切削性能分析

摘要

随着世界工业化和经济一体化不断推进，源自德国的“工业4.0”、“中国制造2025”等新发展理念应运而生，对工业生产中的能源节约、环境保护、污染防控提出了更为严格的要求。受其影响，各国对汽车特别是大功率柴油汽车的排放量出台了愈来愈严格的法规，柴油发动机领域面临巨大的冲击和压力。因此，提高柴油发动机的生产质量、节省加工耗材、降低制造成本便成为了柴油发动机制造过程中的重中之重。作为柴油发动机中最为关键和核心的零部件，曲轴在工作过程中受到离心力和惯性力的共同作用，承受极高的弯曲扭转载荷。为了满足上述严苛的使用要求，曲轴的制造材料本身强度硬度极高，切削性能较差，机加工过程中的刀具磨损现象十分严重。因此，分析曲轴加工过程中的刀具磨损失效机理，开展刀具材料匹配及优化切削参数是减小刀具磨损、降低生产成本的有效途径。
　　本文以曲轴材料42CrMo钢为研究对象，对适合加工钢材的刀具涂层材料进行了对比评价，为42CrMo钢选择了最优涂层材料;以恒金属去除体积为前提，设计开展了42CrMo钢的正交车削实验，研究了车削参数对刀具后刀面平均磨损量VB的影响规律并建立了刀具后刀面平均磨损量关于切削参数的预测模型;对曲轴生产线上刀具的失效模式和失效机理进行了研究。主要研究工作如下:
　　(1)通过开展刀具匹配实验，确定了TiN-TiCN-TiN-Al2O3-TiN涂层为切削加工42CrMo钢的最优刀具材料。首先，综合考虑经济性与实用性原则，选取了五种适合加工42CrMo钢的涂层材料，借助SEM与EDS设备，观察了五种涂层的表面形貌和组成结构。然后，从刀具扩散磨损角度出发，设计并开展了五种涂层材料与42CrMo钢之间的扩散实验，实验结果表明，元素的扩散距离与温度呈正相关关系，Ti元素的扩散程度比Fe元素剧烈，TiN-TiCN-TiN-Al2O3-TiN涂层的扩散距离最小，硬度降低程度也较低，在所有涂层中表现出了最好的抗扩散能力。其次，从刀具的磨粒磨损、粘结磨损角度出发，设计了五种涂层材料与42CrMo钢间的摩擦磨损实验，实验结果显示，TiN-TiCN-TiN-Al2O3-TiN涂层和TiAlN涂层具有较小的摩擦因数，TiN-TiCN-TiN-TiCN-Al2O3涂层和TiN-TiCN-TiN-Al2O3-TiN涂层的耐磨性最好。最后，开展了涂层划痕实验，实验结果表明TiN-TiCN-TiN-TiCN-A l2O3涂层与TiN-TiCN-TiN-Al2O3-TiN涂层的结合力最大，而且表现出了较大的塑性，其余涂层表现出较大的脆性。
　　(2)通过42CrMo钢车削实验，研究了刀具寿命随去除体积的变化规律并建立了刀具平均磨损量VB关于切削参数的预测模型。首先，开展42CrMo钢车削刀具寿命实验，得到了VB随金属去除量的变化规律曲线。随后，进行了恒金属去除体积下的42CrMo钢正交车削实验，得到车削三要素对刀具后刀面平均磨损量VB影响的显著程度为ap＞f＞v;使VB值最小的车削参数组合为:v=200m/min，f=0.2mm/r，ap=l.5mm;以BP神经网络为基础建立了后刀面平均磨损量VB关于车削三要素的预测模型，验证结果表明该模型具有极高的预测准确性。
　　(3)调研并统计了曲轴加工生产线上刀具的磨损情况，分析和研究了其失效模式和失效机理。经研究发现，刀具的磨损量普遍在0.5mm-0.8mm之间，磨损形态以前、后刀面磨损为主，磨损机理以扩散、氧化磨损为主。
　　本研究为曲轴材料42CrMo钢的加工匹配了最优刀具涂层材料，对切削参数进行了选择并建立了后刀面平均磨损量VB关于切削参数的预测模型，分析了曲轴加工线上刀具的失效模式和机理，本文结果可为曲轴生产过程中切削参数和刀具涂层的选取提供参考和帮助。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 柴油发动机曲轴发展及加工现状分析

1．2．1 柴油发动机曲轴材料及加工

1．2．2 曲轴加工研究现状

1．3 刀具材料匹配研究现状

1．3．1 刀具材料发展及应用

1．3．2 刀具材料匹配方法

1．4 柴油发动机曲轴材料(42CrMo钢)加工性能研究

1．4．1 切削力

1．4．2 切削温度

1．4．3 刀具磨损

1．4．4 加工表面质量

1．5 任务来源及主要研究内容

第2章 涂层材料与42CrMo钢的匹配性

2．1 涂层材料及42CrMo钢基本性能

2．1．1 42CrMo钢的成分及材料属性

2．1．2 涂层材料的成分及结构

2．2 涂层材料的扩散匹配

2．2．1 实验方案

2．2．2 元素扩散检测与纳米压痕实验

2．2．3 实验结果与分析

2．3 涂层材料的摩擦磨损匹配

2．3．1 实验准备及方案设计

2．3．2 摩擦系数分析

2．3．3 磨损率比较与分析

2．3．4 摩擦球磨损形貌及机理分析

2．3．5 摩擦盘磨损形貌及机理分析

2．4 涂层材料的膜基结合强度匹配

2．4．1 涂层膜基结合强度测量方法

2．4．2 实验仪器及方案设计

2．4．3 涂层结合力测量结果

2．4．4 涂层划痕形貌分析

2．5 本章小结

第3章 42CrMo钢的切削性能分析

3．1 刀具磨损预实验

3．1．1 工件、刀具、机床

3．1．2 预实验方案设计

3．1．3 预实验结果与分析

3．2 42CrMo钢的刀具磨损实验

3．2．1 正交车削实验

3．2．2 实验结果与分析

3．2．3 刀具磨损形貌及机理分析

3．3 基于BP神经网络的刀具后刀面平均磨损量预测模型

3．3．1 BP神经网络的结构设计

3．3．2 样本的归一化处理

3．3．3 BP神经网络的训练与学习

3．3．4 模型验证

3．4 本章小结

第4章 曲轴生产线刀具失效模式识别

4．1 曲轴生产线工艺流程及典型工序

4．2 铣端面工序中刀具失效模式及失效机理分析

4．2．1 铣端面工序加工条件

4．2．2 刀具失效模式分析

4．2．3 刀具失效机理分析

4．3 粗车大盘工序中刀具失效模式及失效机理分析

4．3．1 粗车大盘工序加工条件

4．3．2 刀具失效模式分析

4．3．3 刀具失效机理分析

4．4 精铣主轴连杆工序中刀具失效模式及失效机理分析

4．4．1 精铣主轴连杆工序加工条件

4．4．2 刀具失效模式分析

4．4．3 刀具失效机理分析

4．5 精车小头轴径工序中刀具失效模式及失效机理分析

4．5．1 精车小头轴径工序加工条件

4．5．2 刀具失效模式分析

4．5．3 刀具失效机理分析

4．6 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 工作总结

5．2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及参与课题

致谢