热处理工艺参数对等温淬火球墨铸铁切削加工性能影响的研究

论文摘要

等温淬火球墨铸铁（Austempered Ductile Iron,简称ADI）是一种新型球铁材料,因具有强硬度高、塑韧性好、综合性能优良等特点被广泛地应用到航天、船舶、车辆和重工业领域,并产生了显著的经济和社会效益。ADI优异的综合力学性能归功于对球墨铸铁所采用的等温淬火热处理工艺,尤其是等温淬火温度和等温淬火时间对其性能的影响。但是,在材料性能得到显著提升的同时,热处理过程也导致了切削加工过程中加工难的问题,如刀具刃口受到更高的应力,刀面因与高硬度、高耐磨性切屑摩擦导致磨损更大,严重影响ADI材料产品在更多领域的广泛应用（这种情况在我国尤为严重）。本研究结合国内外ADI研究现状选定奥氏体化温度为900℃、奥氏体化时间为1.5h,针对等温淬火温度为250℃、300℃、350℃、淬火时间是1、2、3h,并在美国Applied Process热处理公司采用“单一温度等温淬火”工艺对水平连铸球铁进行热处理得到九组不同性能ADI材料,其力学性能达到标准等级ASTM 2 ASTM 4,测定各组ADI材料力学性能,并分析和比较其金相组织。本研究选用Sandvik公司生产陶瓷CC6050、立方氮化硼CB7025和硬质合金GC2025切削刀具对各组ADI材料进行干式精车切削实验,首次全面系统地分析等温淬火温度和淬火时间对ADI材料切削加工过程中切削刀具磨损——切削力——表面粗糙度的影响,为以后ADI材料的制备提供科学热处理参数依据,为ADI材料的切削加工提供合理的切削用量。本文研究内容具体如下:1.采用三种切削刀具分别车削加工九组ADI材料,记录切削加工过程中刀具后刀面磨损变化,分析淬火温度和时间、刀具材料对后刀面磨损的影响;采用S-4700扫描电镜观察切削加工后各切削刀具的刀面磨损形貌（前刀面和后刀面）,分析各切削刀具的磨损机理,并介绍一种基于小波理论的超声刀具磨损监测方案。2.在切削加工过程中采用Kistler测力系统测量不同切削刀具切削各组ADI材料的切削力的变化,分析淬火温度和时间、切削刀具、加工硬化层对切削力的影响;采用正交实验探讨切削用量三因素对切削力影响的显著性,并采用单因素法分别分析各切削用量对切削力的影响,观测切屑形态随切削用量的变化。3.采用2205型表面粗糙度测量仪测量各切削刀具加工后工件的表面粗糙度,分析淬火温度和时间、切削刀具材料和切削用量三要素对工件表面粗糙度的影响。4.采用微粒群优化算法建立切削力和工件表面粗糙度随切削用量变化的预测模型;采用Matlab Fuzzy Logic模糊推理工具建立切削力与淬火温度和淬火时间的模糊推理模型结果表明:本文对切削刀具刀面磨损、切削力、表面粗糙度的实验性研究为ADI材料的高质量、高效率、低成本生产提供了理论参考;等温淬火温度和时间与切削力的模糊推理模型为热处理工艺参数的设定提供了理论依据;切削力和表面粗糙度随切削用量变化的预测模型为切削加工切削用量的选择提供了科学依据,在实际加工过程中能有效预测切削力的大小和工件的表面质量。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 等温淬火球墨铸铁性能特点和热处理工艺
• 1.2.1 等温淬火球墨铸铁性能特点
• 1.2.2 等温淬火球墨铸铁的应用
• 1.2.3 等温淬火球墨铸铁热处理工艺
• 1.3 等温淬火球墨铸铁切削加工研究现状
• 1.4 等温淬火球墨铸铁研究现状
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 基本理论、实验内容与实验方法
• 2.1 实验基本理论
• 2.1.1 切削加工性
• 2.1.2 工件材料的力学性能对切削加工性的影响
• 2.1.3 化学成分对ADI 材料组织性能的影响
• 2.1.4 热处理工艺
• 2.2 试验材料的制备
• 2.2.1 球墨铸铁制备
• 2.2.2 ADI 材料热处理
• 2.2.3 ADI 材料组织性能
• 2.3 车削试验
• 2.3.1 机床参数
• 2.3.2 切削刀具
• 2.3.3 车削测力系统
• 第三章 切削刀具磨损实验和磨损机理
• 3.1 刀具磨损形态
• 3.2 刀具磨损机理
• 3.3 刀具磨损实验
• 3.3.1 刀具磨损实验方案
• 3.3.2 刀具后刀面磨损实验结果
• 3.3.3 试验结果分析
• 3.4 刀具磨损形态分析
• 3.4.1 前刀面磨损
• 3.4.2 后刀面磨损
• 3.5 刀具磨损机理分析
• 3.6 刀具磨损监测
• 3.7 本章小结
• 第四章 切削力实验
• 4.1 切削力的来源
• 4.2 车削实验
• 4.2.1 车削测力系统
• 4.2.2 车削力实验
• 4.3 实验结果和分析
• 4.3.1 淬火温度和时间对切削力的影响
• 4.3.2 切削刀具对切削力的影响
• 4.3.3 加工硬化对切削力的影响度
• 4.4 切削用量对切削力的影响
• 4.4.1 正交分析
• 4.4.2 切削速度对切削力的影响
• 4.4.3 背吃刀量和进给量对切削力的影响
• 4.5 基于微粒群优化算法（PSO） 建立切削力预测模型
• 4.5.1 数学模型的建立
• 4.5.2 微粒群优化算法仿真实验立
• 4.5.3 预测模型结果分析
• 4.6 热处理工艺参数与切削力的模糊推理模型
• 4.7 本章小结
• 第五章 表面粗糙度实验
• 5.1 表面粗糙基本理论
• 5.1.1 表面粗糙度产生的原因
• 5.1.2 影响表面粗糙度的因素
• 5.2 表面粗糙度实验
• 5.2.1 表面粗糙度测量系统
• 5.2.2 表面粗糙度实验
• 5.3 实验结果与分析
• 5.3.1 淬火温度和时间对表面粗糙度的影响
• 5.3.2 切削刀具对表面粗糙度的影响
• 5.3.3 切削用量对表面粗糙度的影响
• 5.4 表面粗糙度数学模型的建立
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文
• 致谢