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高效切削钛合金Ti6Al4V刀具磨损特性及切削性能研究

作　者: 范依航
导　师: 郑敏利
学　校: 哈尔滨理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 钛合金 Ti6Al4V 高效切削刀具磨损特性切削性能
分类号: TG501.3
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

现代制造技术的发展方向是实现高效率、高精度、高柔性和绿色化,尤其是高效率被推上了突出的位置。钛合金 Ti6Al4V以其比强度高、机械性能及抗蚀性良好而广泛应用于航空航天等领域,是飞机发动机部分零部件理想的制造材料,具有广阔的科研空间和应用前景。但因其低导热性、高化学活性等导致切削过程中刀具磨损严重,这已经成为严重制约难加工材料高效切削技术发展的关键问题。因此,本文进行高效切削钛合金过程中刀具磨损特性及刀具切削性能研究,为钛合金加工中刀具磨损控制、刀具材料优选、切削参数优化提供理论依据,对难加工材料高效切削技术的发展和应用起到积极地推动作用。通过钛合金切削试验,研究切削力静动态特性与热特性,研究刀具磨损对切削力变化的影响规律,并基于经典正交切削模型,建立考虑刀具磨损时的切削力模型。结合钛合金切削过程中刀-屑、刀-工件接触面摩擦特性分析,研究钛合金切削过程中的刀具磨损机理以及切削条件对刀具磨损特性的影响规律;硬质合金刀具前、后刀面的磨损机理主要表现为粘结与扩散;由于已加工表面回弹,引起刀-工件接触区产生很高的压力,进而导致后刀面粘结磨损比前刀面严重;而前刀面扩散磨损较为严重,最后研究了刀具前刀面材料扩散流失以及从基体脱落的物理演变过程。针对不同刀具材料及刀具刃口钝圆半径加工钛合金Ti6Al4V时所表现的性能差异,研究不同刀具材料加工时的刀具磨损特性、刀具使用寿命、切削力静动态特性、热学特性等;采用层次分析法对刀具切削性能进行综合评价,与含Ti元素的涂层刀具相比,细晶粒(WC-Co类)无涂层刀具得切削性能优于涂层刀具;并通过数值仿真分析刀具刃口钝圆的热力学特性,结合刃口钝圆磨损评价刃口钝圆的切削性能,刃口钝圆半径存在一个合理的范围,使得刃口的切削性能达到最佳。根据硬质合金刀具磨损机理分析结果,建立了高效切削钛合金时刀具后刀面磨损模型,在一定范围内实现刀具后刀面磨损预报,并运用所建磨损模型进行了切削参数优化;将磨损图方法用于刀具磨损的研究,构建了无涂层硬质合金刀具切削钛合金Ti6Al4V时的磨损图,全面的反映出切削条件对刀具磨损的影响,为合理选择切削参数、控制刀具磨损、提高刀具使用寿命、实现钛合金高效切削提供了理论依据。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-15
第1章绪论  15-31
  1.1 课题背景  15
  1.2 课题研究的目的和意义  15-16
  1.3 研究现状及存在的问题  16-28
    1.3.1 切削力研究现状  16-18
    1.3.2 切削温度研究现状  18-20
    1.3.3 刀具磨损机理研究现状  20-25
    1.3.4 刀具切削性能研究现状  25-26
    1.3.5 冷却润滑技术研究现状  26-27
    1.3.6 刀具磨损模型建立  27-28
    1.3.7 存在的主要问题  28
  1.4 课题来源及研究内容  28-31
第2章高效切削钛合金刀具磨损力热特性研究  31-53
  2.1 引言  31
  2.2 钛合金切削试验设计  31-33
    2.2.1 试验条件  31-33
    2.2.2 试验方法  33
  2.3 高效切削钛合金切削力特性研究  33-42
    2.3.1 高效切削钛合金切削力静态分量  34-37
    2.3.2 高效切削钛合金切削力动态分量  37-42
  2.4 高效切削钛合金刀具磨损对切削力的影响  42-49
    2.4.1 刀具磨损对切削力静动态分量的影响  42-44
    2.4.2 刀具后刀面磨损时的切削力模型  44-49
  2.5 高效切削钛合金切削温度研究  49-51
    2.5.1 切削条件对切削温度的影响  49-51
    2.5.2 切削温度与刀具磨损  51
  2.6 本章小结  51-53
第3章高效切削钛合金刀具磨损特性研究  53-74
  3.1 引言  53
  3.2 刀具磨损和破损形式  53-56
    3.2.1 前、后刀面磨损  53-54
    3.2.2 切削刃微崩或刀尖崩碎  54-55
    3.2.3 涂层热裂或剥落  55-56
  3.3 刀-屑与刀-工件接触区摩擦特性  56-62
    3.3.1 接触区摩擦系数  56-59
    3.3.2 接触区热力学特性  59-61
    3.3.3 刀具前、后刀面接触特性实验研究  61-62
  3.4 刀具磨损机理  62-67
    3.4.1 粘结磨损  62-64
    3.4.2 扩散、氧化磨损  64-67
  3.5 刀具前刀面磨损过程  67-70
  3.6 切削条件对刀具磨损的影响  70-73
    3.6.1 切削速度v 对磨损的影响  70-71
    3.6.2 进给量f 对刀具磨损的影响  71
    3.6.3 冷却液对刀具磨损的影响  71-73
  3.7 本章小结  73-74
第4章高效切削钛合金刀具切削性能研究  74-92
  4.1 引言  74
  4.2 不同刀具材料的切削性能分析  74-82
    4.2.1 刀具磨损特性  74-77
    4.2.2 刀具使用寿命  77-78
    4.2.3 刀具热力学特性  78-82
  4.3 刀具材料切削性能综合评价  82-86
    4.3.1 系统递阶层次结构模型建立  82
    4.3.2 刀具切削性能判断矩阵  82-84
    4.3.3 权重求解及一致性检验  84-86
    4.3.4 刀具切削性能评价结果  86
  4.4 刀具钝圆刃口切削性能研究  86-91
    4.4.1 钝圆刃口热力学特性  86-90
    4.4.2 钝圆刃口磨损特性  90-91
  4.5 本章小结  91-92
第5章高效切削钛合金刀具磨损预测及切削参数优化  92-107
  5.1 引言  92
  5.2 刀具磨损模型建立  92-98
  5.3 基于遗传算法的切削参数优化  98-102
    5.3.1 建立优化数学模型  98-100
    5.3.2 基于GA 的切削参数优化  100-102
  5.4 基于磨损图的切削参数优选  102-106
    5.4.1 相对刀具磨损  102-103
    5.4.2 刀具磨损图的建立  103-105
    5.4.3 刀具磨损图验证  105-106
  5.5 本章小结  106-107
结论  107-109
参考文献  109-116
攻读博士学位期间发表的学术论文  116-117
致谢  117

高效切削钛合金Ti6Al4V刀具磨损特性及切削性能研究

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