H13钢硬态铣削表面完整性研究

论文摘要

近年来,随着超硬刀具材料和高性能机床的出现,高速加工技术在很多行业得到了广泛应用。作为高速加工的一个分支,硬态铣削技术引起了模具制造业的极大兴趣,即对处于淬硬状态的模具钢进行高速铣削。与传统的模具制造工艺相比,模具钢硬态铣削具有很多优点：降低加工成本、缩短交货周期、改善表面完整性、减少热处理变形、提高金属去除率等。AISI H13钢具有很好的红硬性和韧性,广泛用于制作压铸模、挤出模、热锻模和挤出心轴等。模具在极端服役条件下（高温、高压、热冲击等）,要求其加工表面具有良好的几何完整性（表面粗糙度、形状精度、尺寸精度）和物理完整性（微观结构、硬度、残余应力等）。然而,人们对硬态铣削过程中因热、力、塑性变形而导致的残余应力、微裂纹、显微硬度和相变等还缺乏足够的了解及相应的控制措施,导致模具热疲劳寿命降低,使得硬态铣削技术的推广应用面临着很大的障碍。只有了解表面形成机理并获得满意的表面完整性,硬态铣削技术才会发挥其技术优势和经济优势,并在模具制造业得到广泛应用。本课题围绕AISI H13模具钢硬态铣削工艺,对表面粗糙度、残余应力、显微硬度、相变等问题进行了系统研究。①研究了铣削表面形貌和切削参数对表面粗糙度的影响规律,并分别设计了正交实验和恒定金属去除率实验对表面粗糙度进行切削参数优化,获得了基于理想表面粗糙度要求的最佳切削参数组合。进给量和径向切削深度的不同导致铣削表面呈现出明显的各向异性,使用面粗糙度来表征表面形貌更为合理；在金属去除率保持恒定的条件下,高转速-小切深和高进给-小切宽的切削参数组合可以获得最小的表面粗糙度。②研究了切削参数对表面层微观结构、显微维氏硬度和残余应力的影响规律,探索了表面残余应力在垂直于进给方向的分布规律。在本文实验条件下,多组切削参数出现了厚度极薄的白层（小于3μm）；表面显微维氏硬度测量结果表明：铣削表面具有明显的加工硬化现象；垂直于进给方向表面残余应力比平行于进给方向表面残余应力更趋向于压应力状态,且表面残余应力以压应力为主；显微维氏硬度和残余应力沿层深的分布规律极其一致,都呈“勺”形。③通过对高速铣削表面粗糙度、残余应力、加工硬化及表面变质层微观结构的系统研究,揭示了模具钢硬态铣削机理。本课题通过系统研究H13钢硬态铣削过程中的白层形成、残余应力分布、显微硬度变化等问题,对深入探讨切削参数、工件材料等对表面加工质量的影响规律具有重要的理论和实践指导意义,为硬态铣削技术的推广和应用提供可靠的、科学的依据和技术支撑。本课题得到山东省自然科学基金（Y2008F41）、教育部留学回国人员科研启动基金（教外司留2010-609）和山东大学自主创新基金（2009TS028）资助项目的支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景意义
• 1.2 H13钢的特性及应用
• 1.3 加工表面完整性研究现状
• 1.3.1 表面粗糙度
• 1.3.2 残余应力
• 1.3.3 加工硬化
• 1.4 本课题研究的主要内容
• 第2章 表面形貌及表面粗糙度分析
• 2.1 实验方案
• 2.1.1 实验设计
• 2.1.2 实验条件
• 2.2 加工表面形貌与粗糙度测量
• 2.2.1 白光干涉仪测试原理与参数
• 2.2.2 表面形貌测量结果
• 2.3 切削参数对表面粗糙度的影响
• 2.4 基于表面粗糙度切削参数的实验优化
• 2.4.1 正交实验优化
• 2.4.2 恒定金属去除率实验优化
• 2.5 表面粗糙度模型
• 2.5.1 经验模型的建立
• 2.5.2 经验模型的显著性检验
• 2.6 本章小结
• 第3章 加工硬化及显微硬度变化
• 3.1 加工硬化评价指标
• 3.2 铣削表面层微观组织转变
• 3.2.1 实验方法
• 3.2.2 典型的表面层微观组织转变
• 3.2.3 结果分析
• 3.3 显微维氏硬度的测量
• 3.3.1 测试原理
• 3.3.2 测量设备及参数
• 3.3.3 表面显微维氏硬度
• 3.3.4 亚表层显微维氏硬度
• 3.4 本章小结
• 第4章 残余应力分布及形成机理
• 4.1 切削力
• 4.1.1 切削力测试原理及仪器
• 4.1.2 切削力的数据处理
• 4.1.3 切削参数对切削力的影响
• 4.2 残余应力
• 4.2.1 残余应力产生的原因及其影响
• 4.2.2 残余应力测试原理及设备、参数
• 4.2.3 表面残余应力的测量及分析
• 4.2.4 表层残余应力的测量及分析
• 4.3 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
• 学位论文评阅及答辩情况表