PCBN刀具高速精密硬态切削机理与应用技术

论文摘要

高速切削淬硬钢作为新工艺目前被航空航天、汽车等许多工业部门所采用。高速切削淬硬钢作为单点车削方式,其优势之一就是根据机床固有的加工性能对复杂工件型面进行精加工。另外,高速切削淬硬钢比磨削加工效率高并减少对环境的污染,因此,可以代替磨削加工。但是,有些不利的因素并制约高速切削淬硬钢的应用,如刀具材料选用不恰当或加工参数选用不合理,会导致高速切削淬硬钢产生高温和很大的切削力,从而降低刀具寿命和加工表面质量。本文采用PCBN（Polycrystalline Cubic Boron Nitride）刀具对GCr15淬硬钢（HRC6264）进行一系列高速精密硬态切削实验,并结合有限元仿真,研究高速精密硬态切削机理、刀具磨损和已加工表面质量的变化规律。首先,根据弹塑性变形理论和热力耦合有限元方法,利用大型商用有限元分析软件Deform,建立了淬硬钢高速精密硬态切削过程的二维和三维仿真模型,并设定工件材料GCr15为均质、等向强化的弹塑性材料,满足Von Mises屈服准则,在修正了库仑定律的刀/屑摩擦方程和局部网格重划分准则的基础上,采用Johnson-Cook材料模型和Cockroft-Latham断裂准则,分别研究了二维切削过程中的切屑形态和刀具磨损以及三维切削过程中切削力和切削温度的变化规律。针对高速精密硬态切削淬硬钢时,由于受金属软化效应和刃口参数的影响,尤其是切削厚度和倒棱宽度在同一数量级时,刃口的滞留层对切削过程影响很大,使切削力的变化存在特殊规律。根据能量法预报剪切角,采用滑移线场计算刃口耕犁力,对改进后Oxley模型进行了修正,建立了倒棱刀具的切削力模型;通过遗传算法建立了PCBN刀具刃口倒棱参数和切削用量对切削力影响的函数关系式,并优选了切削参数。由于PCBN刀具高速切削时刀具磨损与普通切削有很大区别,本文通过高速精密硬态切削淬硬钢GCr15试验,研究了涂层和无涂层PCBN刀具的不同刃口结构和不同切削速度对刀具磨损的影响,通过扫描电镜观察和能谱分析,系统研究了PCBN刀具的磨损机理,查明了高速精密硬态切削时PCBN刀具的磨损机理,得到了相应的PCBN磨损强度分布。最后,系统进行了高速精密硬态切削淬硬钢已加工表面完整性的研究。通过高速精密硬态切削淬硬钢GCr15实验,研究了PCBN刀具涂层、刀具几何结构和切削参数对表面粗糙度、白层和显微硬度的影响规律;研制了适合于高速精密硬态切削的新型PCBN wiper车刀,加工出了表面粗糙度为0.19μm的加工精度。

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第1章绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.1.1 高速精密硬态切削刀具材料的选择

1.1.2 PCBN 刀具的特点

1.2 硬态切削机理的国内外研究现状

1.2.1 硬态切削力的研究现状

1.2.2 切削过程有限元模拟的研究现状

1.2.3 PCBN 刀具磨损的研究现状

1.2.4 精密硬态切削已加工表面质量的研究现状

1.3 课题的来源及研究的内容

第2章高速精密硬态切削过程及有限元仿真

2.1 有限元仿真的关键技术

2.1.1 弹塑性大变形有限元方程

2.1.2 材料模型

2.1.3 切屑形成准则

2.1.4 刀具和工件之间的摩擦模型

2.1.5 温度场的模拟

2.2 淬硬钢高速精密硬态直角切削及二维有限元分析

2.2.1 二维直角切削有限元模型的建立和边界条件

2.2.2 刀具材料和工件材料特性

2.2.3 切屑形成过程的仿真

2.2.4 刀具磨损的有限元分析

2.3 淬硬钢高速精密硬态斜角切削及三维有限元分析

2.3.1 斜角切削三维有限元模型的建立和边界条件

2.3.2 刃倾角对切削力的影响

2.3.3 进给量对切削力的影响

2.3.4 切削速度对切削温度的影响

2.4 本章小结

第3章高速精密硬态切削过程的力学建模

3.1 负倒棱切削刃的切削力建模

3.1.1 Oxley 剪切区模型

3.1.2 刀/屑接触区分析

3.1.3 刃口犁耕力模型

3.1.4 剪切角最小能量法求解

3.2 基于遗传算法单刃刀具直角切削力模型的建立

3.2.1 直角切削实验设计

3.2.2 刀具几何参数对切削力的影响

3.2.3 切削参数对切削力的影响

3.2.4 遗传算法建立切削力的预测模型

3.3 本章小结

第4章高速精密硬态切削刀具磨损的研究

4.1 PCBN 刀具高速精密硬态切削实验条件及设备

4.2 PCBN 刀具磨损的研究

4.2.1 无涂层和涂层对PCBN 刀具磨损的影响

4.2.2 切削速度对刀具磨损的影响

4.2.3 刀尖圆弧半径对刀具磨损的影响

4.3 PCBN 刀具的磨损机理

4.3.1 无涂层PCBN 刀具的磨损机理

4.3.2 涂层PCBN 刀具的磨损机理

4.3.3 PCBN 刀具的磨损特征

4.4 本章小结

第5章高速精密硬态切削表面质量的研究

5.1 表面粗糙度的研究

5.1.1 切削速度对工件表面粗糙度的影响

5.1.2 无涂层和涂层PCBN 刀具对表面粗糙度的影响

5.1.3 刀具几何结构对表面粗糙度的影响

5.2 白层的研究及形成分析

5.2.1 后刀面磨损对白层的影响

5.2.2 切削速度对白层的影响

5.2.3 白层的形成分析

5.3 切削速度对已加工表面显微硬度的影响

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

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