论文摘要
高速切削加工是未来切削加工技术的发展方向,而刀具材料是发展高速切削加工技术的关键,开发适于高速干式切削加工的陶瓷刀具契合了当今绿色环保的理念。本文以研制高性能微纳复合陶瓷刀具材料为目标,对微纳复合陶瓷刀具材料进行了系统设计,优化了微纳复合陶瓷刀具材料的制备工艺,成功制备出Al2O3/TiC/ZrO2微纳复合陶瓷刀具材料,并对其力学性能、微观组织结构、动态本构模型及切入瞬时仿真、切削性能、失效形式及机理进行了研究。基于超高强度钢的切削加工特点,提出了微纳复合陶瓷刀具材料的设计原则,并设计出以微米Al203为基体,微米TiC、纳米TiC和纳米Zr02为添加相的微纳复合陶瓷刀具材料。通过对其进行化学相容性计算分析,可知在烧结及切削加工过程中不会发生化学反应。基于颗粒残余应力模型,计算出微米级TiC和Zr02的最大体积分数,分别为82.8vol%和21.3vol%。根据各组分的物理相容性的计算分析,确定纳米添加相的成分,并基于等径球体紧密排列结构,依据素坯颗粒级配原则,建立了纳米添加相的粒径和体积分数的理论模型,并考虑纳米粒子的团聚效应,确定了纳米TiC的粒径为80nm,含量为4vol%;纳米Zr02的粒径为40nm,含量为1.5-2.0vol%。基于液态金属对TiC的润湿性,确定了添加金属Ni、Mo及含量。研究了纳米粉末的分散工艺。研究结果表明,悬浮液为PH值9-10的碱性溶液,分散剂PEG添加量为纳米TiC粉末质量的1.5wt%时,纳米TiC悬浮液的相对沉降体积小；悬浮液为PH值9-10的碱性溶液,分散剂PEG添加量约为纳米Zr02粉末质量的2wt%时,纳米Zr02悬浮液的相对沉降体积小。研究了微纳复合陶瓷刀具材料的烧结工艺。对烧结温度和保温时间进行了优化。结果表明,微纳复合陶瓷刀具材料适宜的烧结工艺为：烧结温度1700℃,保温时间10min,烧结压力30MPa。依据烧结体的性能,对组分配比进行优选,成功制备出综合性能优良的ATZ4微纳复合陶瓷刀具材料,其抗弯强度、维氏硬度、断裂韧度和相对密度分别为970MPa、20.3GPa、5.9MPa·m1/2和99.3%。研究分析了ATZ4微纳复合陶瓷刀具材料的微观结构和断裂模式。结果表明,其微观结构为晶内／晶间型,且晶粒尺寸大小分布均匀；其断裂模式是以穿晶断裂为主的混合断裂模式。研究了ATZ4微纳复合陶瓷刀具材料的强韧化机理。结果表明,其主要的强韧化机理为晶粒细化、晶界强化、位错强韧化、相变增韧、裂纹偏转和颗粒桥接增韧。建立了ATZ4微纳复合陶瓷刀具材料动态本构模型,并仿真了瞬时切入过程。基于滑移型裂纹模型,应用细观损伤力学理论,建立了ATZ4微纳复合陶瓷刀具材料单轴压缩下损伤型动态本构方程。通过分离式霍普金森压杆实验获取ATZ4微纳复合陶瓷材料的动态应力-应变曲线,并与理论曲线进行对比分析,验证了理论公式的合理性。建立了ATZ4微纳复合陶瓷刀具切削仿真的有限元模型,获得了切入瞬时刀具前刀面上最大拉应力,并根据第一强度理论,预测了刀具切入工件时可能的破损失效,为切削参数的选择提供了依据。建立了ATZ4微纳复合陶瓷刀具切削加工调质300M钢的刀具寿命模型,分析了ATZ4微纳复合陶瓷刀具在合理切削参数下的失效形式及机理。对比分析研究了不同刀具切削调质300M钢时的切削性能、磨损破损形式及其机理。结果表明,在低速车削时,刀具均以磨损为主,其机理为粘结磨损和磨粒磨损；在高速车削时,刀具的失效形式为磨损和破损,其磨损机理为粘结磨损和磨粒磨损,而破损机理为机械应力和热应力的耦合作用。在高速切削条件下,其耦合应力较高,易达到刀具材料的强度极限而造成其破裂。在各切削速度下,ATZ4较其它刀具均表现出更强的耐磨损和抗破损的能力。
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