PCD刀具加工钛合金的试验研究

论文摘要

钛合金由于其具有比强度高、抗腐蚀能力强等优良性能,已被广泛用于航空、航天、化工等领域。但是其可加工性能差,属于典型的难加工材料。目前国内外钛合金加工主要采用无涂层的硬质合金刀具,但切削速度被限制在45m/min以下,大大限制了钛合金的加工效率,如何实现对钛合金材料进行高效加工成为一个亟待解决的难题。聚晶金刚石刀具（Polycrystalline Diamond,简称PCD）呵以实现对钛合金的高效加工,与硬质合金刀具相比具有切削速度高、刀具寿命长等优势。在加工中切削力的变化和热塑剪切失稳的发生将直接影响加工精度、刀具磨损和表面质量。本文通过对钛合金切削时切削力、表面粗糙度以及热塑剪切失稳等问题的深入研究,为生产实际中钛合金的平稳、高效加工提供理论依据。主要内容如下:1)通过切削力试验,研究了切削用量对钛合金Ti-6A1-4V静、动态切削力的影响规律,并从理论上进行了深入分析。2)通过表面粗糙度的正交试验,分析了切削用量对钛合金Ti-6A1-4V表面粗糙度的影响规律,分析了表面粗糙度变化的原因。并以Ra和Rz为指标,进行了方差分析,方差分析结果表明:进给量和切削深度均对Ra、Rz有显著影响。3)采用金相显微镜和扫面电子显微镜观察不同切削条件下的切屑的剪切带形貌,分析了热塑失稳条件下切屑内部的变形特征、剪切带形貌转变以及切削速度对剪切带宽度和间距的影响。分析结果表明切屑内部在很窄的区域内发生了较大的剪切滑移变形。剪切带经腐蚀后呈白亮状,组织细密,而其周围的基体由于受热影响较小未发生较大变形。另外随着切削速度的提高,剪切带由形变带向转变带发展,剪切带宽度和间距与切削速度成反比。4)通过软件Digimizer对锯齿形切屑的形态参数进行了测量和分析,研究了切削用量对锯齿形切屑的步距、锯齿化程度、切屑的形成频率和锯齿齿尖角的影响。5)通过计算锯齿形切屑内的剪应变,测量剪切带内外的显微硬度和切屑的X射线衍射分析,对不同切削条件下钛合金Ti-6A1-4V组织转变进行了研究,证实了在发生热塑剪切失稳时钛合金的组织确实发生了相变。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 超硬材料PCD刀具
• 1.1.1 刀具材料的发展简史
• 1.1.2 PCD的性能和特点
• 1.1.3 PCD刀具的应用现状与发展趋势
• 1.2 钛合金材料的性能及其应用
• 1.2.1 钛合金的组织和性能
• 1.2.2 钛合金材料的应用
• 1.3 钛合金切削加工现状
• 1.3.1 钛合金难加工的原因
• 1.3.2 加工钛合金的刀具材料
• 1.3.3 钛合金切削加工的新技术
• 1.4 本课题的研究现状
• 1.4.1 PCD刀具加工钛合金的研究现状
• 1.4.2 PCD刀具切削钛合金的热塑剪切失稳研究现状
• 1.5 本课题的主要研究工作
• 2 试验设计与试验步骤
• 2.1 试验设计
• 2.1.1 工件材料的化学成分和性能
• 2.1.2 刀具设计
• 2.1.3 切削用量的选择
• 2.1.4 机床要求
• 2.2 试验部分
• 2.2.1 试验目的
• 2.2.2 试验条件、设备及方法
• 2.2.3 试验步骤
• 3 切削力和表面粗糙度试验结果分析
• 3.1 切削力试验结果分析
• 3.1.1 切削力的来源
• 3.1.2 切削用量对静态切削力的影响
• 3.1.3 切削用量对动态切削力的影响
• 3.2 表面粗糙度试验结果分析
• 3.2.1 切削用量对表面粗糙度的影响
• 3.2.2 方差分析
• 3.2.3 表面粗糙度随动态切削力的变化
• 3.3 本章小结
• 4 热塑剪切失稳试验结果分析
• 4.1 剪切带的形成和发展
• 4.1.1 热塑剪切失稳下切屑的变形特征
• 4.1.2 剪切带的发展
• 4.1.3 切削条件对剪切带形貌的影响
• 4.2 切屑形态分析
• 4.2.1 切屑的理论模型
• 4.2.2 锯齿形切屑的步距
• 4.2.3 锯齿化程度
• 4.2.4 切屑的形成频率
• 4.2.5 锯齿形切屑齿尖角
• 4.3 切屑组织转变分析
• 4.3.1 钛合金切屑组织转变研究现状
• 4.3.2 剪应变分析
• 4.3.3 显微硬度分析
• 4.3.4 X射线衍射分析
• 4.4 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢