钛合金TC11和TC17的铣削加工性研究

论文摘要

钛合金由于具有良好的力学性能、比强度高、高温及低温性能优良、抗腐蚀性能优异等突出特点,在航空航天、船舶、石油化工、汽车、生物医学等领域中广泛使用,但钛合金切屑变形系数小、冷硬现象严重、钛及其某些合金元素在高温下化学性活泼、导热系数较低造成切削温度高,属于典型难加工材料。随着钛合金应用的日益广泛,如何选择合理的切削参数,优化刀具结构与几何设计,制订最优的加工工艺,延长刀具的使用寿命,综合研究钛合金加工性能成为亟待解决的问题。TC类钛合金属于α+β双相钛合金,组织稳定性好,具有良好的韧性、塑性和抗高温变形能力。由于添加不同不等的合金元素Cr、Mo、Ni、Mn等,切削加工性差别较大。本文重点对钛合金TC11和TC17进行铣削加工,研究两种钛合金的铣削加工性,以铣削刀具的磨损特性、刀具与工件的匹配关系、切削力、表面粗糙度作为评价TC11和TC17铣削加工性的主要指标。刀具磨损特性对于研究钛合金加工性能,提高生产效率具有重要的指导意义。采用单因素试验法研究切削速度对铣削钛合金刀具磨损特性的影响,并通过VHX-600ESO数码显微镜和电子扫描显微镜（SEM）观察刀具磨损形貌,分析刀具磨损特性。研究表明,随着切削速度的提高,铣削TC11和TC17刀具寿命急剧下降；TC17的铣削加工性比TC11差；刃数少、螺旋角小、带刀尖圆弧半径、涂层硬质合金刀具的寿命长。工件材料与刀具材料之间的元素粘结扩散导致刀具扩散、粘结磨损,影响刀具寿命、工件表面质量和切削过程稳定性。通过多因素正交试验法对TC17进行铣削加工,观察不同切削条件下的刀具扩散磨损,借助电镜扫描（SEM）与能谱分析（EDS）观察元素粘结扩散程度,对刀具与工件的匹配进行研究,探索钛合金铣削加工时的刀具磨损扩散规律。试验证明,切削速度使TC17与硬质合金刀具之间元素粘结扩散比率明显上升,每齿进给量和切削长度的增加使刀具与TC17之间的元素粘结扩散比率先降后升。表面粗糙度影响零件已加工表面的耐磨性、耐腐蚀性以及疲劳强度等。采用多因素正交试验法研究切削用量对铣削钛合金工件表面质量的影响规律,发现铣削TC11和TC17加工表面粗糙度随着切削速度的提高而减小,并随着每齿进给量和轴向切削深度（端铣）、径向切削深度（侧铣）的增大而变大。硬质合金整体立铣刀在高速侧铣、较低进给量和小径向切削深度的切削条件下能得到较小的表面粗糙度,在高速端铣、低进给和小轴向切削深度的切削条件下能得到较小的表面粗糙度,并通过建立表面形貌几何模型探索表面粗糙度变化产生原因。切削力的大小直接影响刀具寿命和加工质量。针对整体硬质合金立铣刀和TC11及TC17的特点,采用多因素正交试验法进行铣削试验,试验结果证明在高切削速度、低进给量和小切削深度的切削条件下切削力较小。课题研究得到国家科技支撑计划重点项目（2008BAF32B01与2008BAF32B11）、高档数控机床与基础制造装备科技重大专项（2009ZX04014-043、2009ZX04014-012、2009ZX04014-031）和国家自然科学基金（50828501）的资助。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 钛合金切削加工研究现状
• 1.2.1 钛合金材料分类及其划分依据
• 1.2.2 钛合金特性
• 1.2.3 钛合金切削刀具及研究现状
• 1.2.4 钛合金切削机理研究现状
• 1.2.5 钛合金切削存在的问题
• 1.3 钛合金TC11和TC17简介
• 1.4 课题研究的主要内容
• 第2章 钛合金TC11和TC17铣削刀具磨损特性
• 2.1 钛合金TC11和TC17铣削刀具失效形态研究
• 2.1.1 后刀面磨损
• 2.1.2 底刃磨损
• 2.1.3 崩刃与破损
• 2.2 钛合金铣削刀具失效机理研究
• 2.2.1 钛合金TC11和TC17铣削刀具磨损形式及机理分析
• 2.2.2 钛合金TC11和TC17铣削刀具磨损过程机理分析
• 2.3 钛合金TC11和TC17铣削刀具磨损特性实验
• 2.3.1 铣削刀具磨损试验条件
• 2.3.2 铣削试验方案设计及切削参数选取
• 2.3.3 钛合金TC11和TC17铣削试验结果
• 2.4 本章小结
• 第3章 硬质合金刀具与钛合金TC11和TC17的匹配关系研究
• 3.1 硬质合金刀具与TC11和TC17物理力学性能匹配
• 3.1.1 整体硬质合金刀具与TC11和TC17力学性能匹配
• 3.1.2 硬质合金刀具与TC11和TC17物理性能匹配
• 3.2 硬质合金刀具与TC11和TC17化学匹配研究
• 3.2.1 元素扩散理论
• 3.2.2 铣削TC11和TC17刀具材料及钛合金材料的化学反应
• 3.3 硬质合金刀具与钛合金TC17元素粘结扩散试验
• 3.3.1 元素粘结扩散试验条件
• 3.3.2 试验方案设计及参数选择
• 3.3.3 试验结果及分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 钛合金TC11和TC17侧铣及端铣表面粗糙度
• 4.1 侧铣和端铣钛合金TC11和TC17铣削方式模型
• 4.2 高速铣削钛合金TC11和TC17表面粗糙度试验设计
• 4.2.1 铣削表面粗糙度试验条件
• 4.2.2 铣削试验方案设计以及切削加工参数的选取
• 4.3 侧刃铣削与端铣试验结果
• 4.3.1 侧刃铣削试验结果及分析
• 4.3.2 端铣试验结果及分析
• 4.4 已加工表面粗糙度产生原因分析及预报模型
• 4.4.1 已加工表面形成
• 4.4.2 铣削表面微观形貌几何模型的建立
• 4.4.3 铣削表面粗糙度经验预报模型的建立
• 4.5 本章小结
• 第5章 整体硬质合金立铣刀侧铣TC11和TC17切削力
• 5.1 TC11和TC17铣削力试验设计
• 5.1.1 铣削力试验条件
• 5.1.2 铣削加工试验方案设计以及切削加工参数的选取
• 5.2 TC17铣削力试验结果及分析
• 5.2.1 铣削力实验结果
• 5.2.2 铣削力试验结果分析
• 5.3 TC17铣削切削力经验模型建立及分析
• 5.4 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表