钛合金切削加工中刀具与工件性能匹配的研究

摘要

由于钛合金所具有的优良特性，它被广泛地应用于航天、汽车、化工等各个领域。但是，钛合金是一种典型的难加工材料，其切削加工中刀具材料与工件的匹配缺乏系统性研究。本文从化学、物理和力学性能三个方面对刀具材料与钛合金性能匹配进行了研究，并通过Ti-6Al-4V钛合金的铣削试验加以验证，建立了钛合金切削刀具选择系统模型。 化学性能匹配从刀具材料和钛合金的氧化以及扩散进行研究。通过对刀具和钛合金的化学热力学计算以及氧化试验研究发现，YT类硬质合金氧化失重相对较少，抗氧化能力较强，YG类硬质合金刀具试样中的WC和Co在800℃下已经发生氧化，而YT类硬质合金的TiC未被氧化。添加TaC(NbC)的YW硬质合金有较好的抗氧化能力；细晶粒硬质合金的抗氧化能力要比粗晶粒硬质合金好。800℃时，在Ti-6Al-4V试样表面检测出TiO<,2>和Ti<,4>N<,3>的生成，1000℃时Ti-6Al-4V由于表面的氧化膜保护，阻止了氧化的进一步进行。 从扩散试验研究发现，在400℃下，YT类和YG类硬质合金都与Ti-6Al-4V发生扩散，但扩散程度比较低。600℃时扩散现象比较明显，YT15的W、Co元素的扩散程度要高于YG3和YG3X：刀具材料的晶粒越粗，扩散越容易。800℃时，由于氧化现象比较严重，在刀片和钛合金表面生成氧化物，阻止了扩散的进行。 从力学性能匹配来看，YG8 抗弯强度和冲击韧较好，适合钛合金的粗加工和去氧化皮；YG3、YG3X硬度较高，适于钛合金的精加工；性能均衡的YG6、YG6X可广泛的应用于精、半精加工；TaC(NbC)可提高刀具材料的高温硬度、强度以及韧性，可用含TaC(NbC)的YG6A、YW2进行较高速度的切削。 从物理性能匹配来看，导热系数和弹性模量较大、热膨胀系数较小的YG3、YG3X适合精加工，相反导热性和弹性模量较小，热膨胀系数相对较大的YG8、*教育部基础科研项目(A1420060196)、国家自然科学基金(50475133，50675120)的资助项目。 YG8X适合粗加工。通过Ti-6A1-4V铣削试验发现：YG8刀具的磨损较小，YT15的磨损较大且粘结、剥落、崩刃现象比较严重。使用YT15铣削Ti-6A1-4V时，刀具的磨损形态有：前刀面的磨料磨损，同时粘结现象比较严重，刀具表面产生微裂纹后，刀具上的材料会被切屑带走，形成多处剥落；后刀面的磨料磨损，也伴有较严重的粘结现象；切削刃有严重的崩刃现象。使用YG8铣削Ti-6A1-4V时，刀具的磨损形态主要是刀具前、后刀面的磨料磨损，但是粘结现象不如YT15严重，没有出现剥落和崩刃现象。因此YG8比YT15更适合低速下铣削Ti-6AI-4V钛合金。YG8和YT15磨损的主要原因都是：磨料磨损、粘结磨损、氧化磨损以及扩散磨损。 通过系统设计和数据库设计相结合，利用Visual C＃开发软件和MicrosoftSQL Server 2000数据库管理系统完成了钛合金切削加工刀具选择系统模型的开发。该系统可帮助生产、设计人员根据加工要求，快速的推荐刀具材料和合适的切削参数，降低了工人的劳动强度，提高了劳动生产率。

目录

文摘

英文文摘

原创性声明及关于学位论文使用授权的声明

第1章绪论

1.1钛合金的性能特点

1.2钛合金在航天以及其他领域的应用

1.3钛合金切削加工特性

1.4钛合金切削的研究现状

1.5课题研究目的、意义及主要内容

1.5.1本课题研究目的与意义

1.5.2本课题研究的主要内容

第2章切削刀具与钛合金化学性能匹配的研究

2.1化学反应热力学理论

2.2刀具材料与钛合金的化学热力学计算

2.2.1钛合金以及刀具材料的化学成分

2.2.2刀具材料与钛合金的氧化反应热力学计算

2.2.3 刀具材料组分与钛合金组分之间反应的热力学计算

2.3刀具材料和钛合金氧化反应的试验研究

2.3.1试验设计

2.3.2硬质合金刀片氧化试验结果及分析

2.3.3钛合金氧化试验结果及分析

2.4刀具与钛合金的元素扩散分析

2.4.1扩散理论

2.4.2扩散试验方法

2.4.3扩散试验结果与分析

2.5本章小结

第3章切削刀具与钛合金物理、力学性能匹配的研究

3.1刀具材料与钛合金力学性能的匹配

3.1.1常用刀具材料力学性能

3.1.2硬质合金刀具材料与钛合金力学性能匹配的分析

3.2刀具材料与钛合金物理性能的匹配

3.2.1常用刀具材料物理性能

3.2.2硬质合金刀具材料与钛合金物理性能匹配的分析

3.3本章小结

第4章钛合金铣削试验研究

4.1试验方法

4.2试验结果及分析

4.2.1刀具的损坏形态

4.2.2刀具的损坏机理

4.3本章小节

第5章钛合金切削加工刀具选择系统的开发

5.1系统需求及其功能

5.1.1系统的开发环境及运行环境

5.1.2系统的功能

5.2软件结构与设计

5.2.1钛合金切削加工刀具选择系统数据库设计

5.2.2应用程序的开发

5.3系统运行测试

5.3.1测试要求

5.3.2测试结论

5.4本章小结

结论

参考文献

致谢