基于微喷砂水射流技术的刀具切削刃处理工艺及其强化机理研究

摘要

微喷砂技术具有加工效率高、灵活性好和资源利用率高的优势，将其应用于刀具的切削刃强化不仅可以提高刀具切削寿命和加工效率，还可以降低加工成本。为此本文开展三个方面的研究。通过微喷砂技术应用于刀具的切削刃处理，研究微喷砂工艺参数对YT15和YG6硬质合金、Ti(C，N)金属陶瓷三种刀片的去除量和切削刃质量的影响，获得了合适刃口半径和刃口质量的微喷砂工艺参数;研究三种刀片的刃口修形去除机理，并建立相应的刃口半径经验预测模型和半经验理论模型;研究微喷砂处理后刀片刃口半径对切削过程的影响，优化获得不同材质的刀片在一定切削参数下的刃口半径，并分析微喷砂切削刃强化对刀具切削性能的影响。
　　采用正交实验方法研究微喷砂工艺参数对材料去除量和刃口线粗糙度的影响，并对微喷砂工艺参数进行初步优选;而采用全因素实验方法研究微喷砂工艺参数对刃口半径和刃口线粗糙度分布的影响，并确定获得合适刃口半径和刃口质量的微喷砂工艺参数。结果表明，对YT15、YG6和金属陶瓷刀片的材料去除量影响最大的因素分别为喷砂时间、磨料目数和喷砂时间，而对YT15、YG6和金属陶瓷刀片的刃口线粗糙度影响最大的因素分别为喷砂压力、磨料目数和磨料目数。以刃口线粗糙度为优化目标，兼顾材料去除量，优化出了YT15和YG6刀片所适用的白刚玉磨料目数为320目，而金属陶瓷刀片所适用的白刚玉磨料目数为280目。三种刀片的刃口半径都随着喷砂压力和喷砂时间的增加而增大;当喷砂压力为0.2MPa和0.25MPa时，随着磨料比重的增加，刀片的刃口半径都先增大而后减小;而在喷砂压力为0.3MPa和0.35MPa时，随着磨料比重的增加，刀片的刃口半径都呈现一直增大的趋势。对刃口线粗糙度分布情况分析，三种刀片的刃口线粗糙度符合伽玛分布，YT15和金属陶瓷刀片的刃口线粗糙度小于0.7岬的概率分别为0.98和0.97，而YG6刀片的刃口线粗糙度小于0.73μm的概率为0.96。根据微喷砂全因素实验得到的刃口半径以及刃口线粗糙度分布确定了经正交实验初选后的微喷砂工艺参数的合理性。
　　采用对比实验研究微喷砂水射流中水和磨料的作用，并对材料去除机理和刃口形状形成过程进行分析。利用BP神经网络和单颗粒磨料材料去除模型分别建立刃口半径的经验预测模型和半经验理论模型。结果表明，单纯的水射流并不能去除材料，材料的去除是通过磨料对刃口材料的冲蚀作用实现的，三种刀片的材料去除方式都包括脆性去除和塑性去除。圆弧形刃口的形成是由刃口材料裂纹扩展的脆性去除和磨粒微切削的塑性去除共同作用导致的。在微喷砂工艺范围内三种刀片的BP神经网络模型的相对误差在10％以内，而刃口半径的半经验理论模型可以定性的分析微喷砂工艺参数以及刀片材料力学性能对刃口半径的影响。
　　采用有限元仿真与单因素切削实验相结合的方法研究刃口半径对切削过程的影响，并优化三种刀片的刃口半径;采用对比切削实验研究微喷砂切削刃强化对刀具切削性能的影响。结果表明，随着刃口半径的增加，三种刀片的切削力都增大，相对主切削力和进给力而言，刃口半径对切深抗力的影响较大。以刀具寿命为优化目标兼顾工件表面粗糙度得到的YT15、YG6和金属陶瓷刀片的最优刃口半径分别为26μm、36μm和15岬。与未强化的刀片相比，微喷砂切削刃强化的YT15、YG6和金属陶瓷刀片的刀具寿命分别提高了63％、37％和86％。随着刀片磨损的增加，微喷砂切削刃强化的YT15、YG6和金属陶瓷刀片的切削力被未强化刀片的切削力超越，随着切削时间的增加，微喷砂切削刃强化的YT15和YG6刀片的工件表面粗糙度逐渐被未强化刀片的工件表面粗糙度超过，而对于金属陶瓷刀片而言，微喷砂切削刃强化的刀片的工件表面粗糙度一直低于未强化刀片的工件表面粗糙度。切削刃强化会稍微造成锯齿形切屑的锯齿密度增加，但对带状切屑的形貌影响不大。而刀片后刀面磨损机理主要为扩散磨损、粘结磨损、磨粒磨损和氧化磨损。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 切削刃强化处理的研究现状

1．1．1 常用的切削刃的强化处理工艺方法

1．1．2 强化处理后的切削刃质量

1．1．3 强化处理后的切削刃几何形状

1．2 微喷砂技术的研究现状

1．2．1 微喷砂脆性材料去除理论

1．2．2 应用在刀具制造中的微喷砂技术的研究

1．3 采用微喷砂技术处理刀具切削刃存在的问题

1．4 本文的研究目的、意义和主要研究内容

1．4．1 研究目的和意义

1．4．2 研究内容

第2章 刀具切削刃微区的微喷砂强化工艺研究

2．1 微喷砂设备与刀具的选择

2．2 微喷砂工艺实验设计

2．2．2 实验方案

2．3 基于正交实验方法的刀片切削刃微喷砂工艺初选分析

2．3．1 YT15刀片切削刃微喷砂工艺实验

2．3．2 YG6刀片切削刃微喷砂工艺实验

2．3．3 金属陶瓷刀片切削刃微喷砂工艺实验

2．3．4 三种刀片切削刃微喷砂工艺参数优化

2．4 基于全因素实验方法的刀片切削刃微喷砂工艺优化

2．4．1 YT15刀片切削刃强化全因素实验

2．4．2 YG6刀片切削刃强化全因素实验

2．4．3 金属陶瓷刀片切削刃强化全因素实验

2．4．4 微喷砂全因素实验刀片刃口线粗糙度分布

2．5 基于最优刃口质量的微喷砂工艺参数选择准则

2．6 本章小结

第3章 刀具切削刃微喷砂的刃口强化模型及机理研究

3．1 微喷砂切削刃强化的BP神经网络模型

3．1．1 BP神经网络基本模型的建立

3．1．2 YT15刀片切削刃半径的预测及验证

3．1．3 YG6刀片切削刃半径的预测及验证

3．1．4 金属陶瓷刀片切削刃半径的预测及验证

3．2 切削刃微喷砂射流的材料去除机理

3．2．1 微喷砂射流中水和磨料的作用

3．2．2 微喷砂射流作用下切削刃微区材料的去除过程

3．3 切削刃微喷砂刃口形成的数学模型

3．3．1 刃口半径数学模型理论基础

3．3．2 微喷砂射流速度分析

3．3．3 微喷砂处理刀片刃口半径数学模型

3．4 本章小结

第4章 微喷砂切削刃强化刀具的切削性能研究

4．1．1 切削仿真条件

4．1．2 正交切削仿真结果与分析

4．2 切削马氏体不锈钢17-4PH的微喷砂切削刃强化刀片的切削性能

4．2．1 实验条件

4．2．2 实验方案

4．2．3 单因素实验切削马氏体不锈钢17-4PH的结果分析

4．2．4 对比实验切削马氏体不锈钢17-4PH的结果分析

4．3 微喷砂切削刃强化作用机理

4．4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文和获得的奖励

致谢