柴油机缸盖用合金铸铁材料刀具匹配及切削性能研究

摘要

柴油发动机具有动力性好、热效率高、节能环保等优点，在农业机械、工程机械、汽车工业、船舶机械、电力工业等领域都有广泛应用。气缸盖作为发动机的关键零部件之一，是典型的多面多孔系的箱体类零件，结构复杂，加工精度要求高。为适应柴油机日益提高的性能要求，WP10型柴油发动机气缸盖采用了加入Cu、Cr等合金元素的合金铸铁材料，以提高缸盖的力学性能。但合金元素的加入提高材料力学性能的同时也造成了机械加工性能降低，刀具磨损严重，影响加工效率和加工成本。只有对材料的切削性能充分了解并且选择合适的刀具材料才能获得足够长的刀具寿命、降低加工成本、提高加工效率。
　　本文围绕气缸盖合金铸铁材料与硬质合金涂层刀具的匹配性及合金铸铁材料的切削性能进行了研究，主要研究内容如下:
　　(1)研究了硬质合金刀具材料与合金铸铁的化学、力学、物理性能的匹配并分析了适合合金铸铁加工的涂层材料。化学匹配性能来看，细晶粒刀具具有更为优异的抗氧化和抗扩散能力，更为适合合金铸铁的切削加工。力学、物理性能来看，YT类刀具韧性较差，不适合用于合金铸铁的加工，YG8抗弯强度和冲击韧性较好，适合合金铸铁的粗加工;YG3、YG3X硬度高红硬性好且弹性模量大、膨胀系数小、导热性能、耐热冲击性能较好适合合金铸铁的精加工;YG6A、YG6X综合性能好，合金铸铁的粗加工、精加工场合均可适用。合金铸铁铣削加工时TiC涂层、Ti(C，N)涂层适合作多层涂层的底层，TiN涂层、Al2O3涂层适合作多层涂层的中间层或表层。
　　(2)通过正交试验，研究了两种刀具进行合金铸铁铣削加工过程中切削参数对切削力、表面粗糙度的影响规律并建立了切削力的经验预测模型，对比了两种刀具在相同切削参数下的刀具磨损情况。两种刀具切削加工时，随着切削速度、进给量、轴向切削深度和径向切削深度的增加切削力都有不同程度的增大;切削速度的提高使两种刀具加工后的工件表面粗糙度减小，而进给量、轴向切削深度和径向切削深度的增加使两种刀具加工后的表面粗糙度都增大;相同的切削条件下，涂层刀具比未涂层刀具具有更高的刀具寿命。
　　(3)分析了涂层硬质合金刀具铣削合金铸铁时刀具的磨损、破损形态及机理。刀具的磨损破损形态主要有涂层剥落、前刀面磨损、后刀面磨损、刀具疲劳裂纹、崩刃破损及刀具基体材料的片状剥落。刀具的涂层破坏、粘结磨损和刀具的疲劳破坏发展剧烈，是刀具失效的主要原因。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 选题背景与意义

1．2 柴油机气缸盖材料及加工研究现状

1．2．1 气缸盖材料研究

1．2．2 气缸盖加工研究

1．3 切削刀具研究

1．3．1 铸铁切削加工刀具材料研究

1．3．2 切削刀具与加工对象匹配性研究

1．4 铸铁切削加工性能研究

1．4．1 切削温度

1．4．2 切削力

1．4．3 表面粗糙度

1．4．4 刀具磨损

1．5 任务来源及主要研究内容

第2章 刀具材料与合金铸铁性能匹配

2．1 硬质合金刀具材料及合金铸铁抗氧化性能研究

2．1．1 化学热力学计算方法

2．1．2 化学热力学计算及分析

2．1．3 高温氧化试验研究

2．2 硬质合金刀具材料与合金铸铁元素扩散研究

2．2．1 扩散理论

2．2．2 元素扩散试验方案

2．2．3 元素扩散结果与分析

2．3 力学性能匹配

2．4 物理性能匹配

2．5 涂层匹配

2．6 本章小结

第3章 合金铸铁切削性能研究

3．1 试验条件

3．1．1 工件、刀具、机床

3．1．2 试验设计

3．1．3 测量仪器

3．2 切削力分析

3．2．1 切削力数据处理

3．2．2 切削参数对切削力的影响

3．2．3 切削力经验模型的建立及验证

3．3 表面粗糙度分析

3．3．1 表面粗糙度结果分析

3．3．2 切削参数对表面粗糙度的影响

3．4 刀具磨损曲线分析

3．5 本章总结

第4章 刀具失效模式识别

4．1 合金铸铁铣削试验条件

4．2 合金铸铁铣削刀具失效形式

4．3 合金铸铁铣削刀具失效机理

4．4 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