高效切削粉末冶金高温合金的加工性研究

论文摘要

高效、高速是现代制造技术的发展方向,近二十年来以其独特的优势成功应用于钢铁、铝合金等的切削加工,但是在粉末冶金高温合金的加工中的应用和研究并不广泛。本文主要针对粉末冶金镍基高温合金高效、高速切削加工过程中的刀具材料选择、变形机理、切削力、切削温度、刀具失效机理、工件表面层特征及耐腐蚀性等切削加工性问题及其影响规律展开研究,为生产实际中高效、高速切削加工这类材料提供理论与技术指导。通过面铣刀具材料优选试验,确定TiAlN-TiN涂层硬质合金为较适合加工粉末冶金镍基高温合金的刀具材料。利用槽铣切削试验法,求得了不同切削参数下的剪切角,并建立了能反映粉末冶金镍基高温合金切削加工中的动态流动应力本构方程,解决了采用常规的材料试验方法难以求得切削加工中高应变、高应变率数据的问题。通过试验和分析,对原有的通用Merchant剪切角模型进行了修正,建立了综合考虑工件材料和切削速度范围的高速切削粉末冶金镍基高温合金切削加工剪切角方程。分析了切削粉末冶金镍基高温合金的切屑变形规律,建立了层片状切屑的形成机理模型。建立了考虑切削过程的面铣切削力模型,并通过试验确定了模型中的参数,修正了模型。通过正交试验建立涂层硬质合金铣刀面铣粉末冶金镍基高温合金时的铣削力经验公式。建立了钻削时主切削刃的切削力模型和横刃的切削力模型,分别对主切削刃和横刃进行离散化,再将每个切削单元刃等效成切削过程进行研究,最后进行积分求得钻削力。通过正交试验得到了涂层硬质合金钻头在内冷条件下钻削粉末冶金镍基高温合金时的钻削力和扭矩的经验公式。研究表明切削加工时由于工件材料的多孔性结构和微观结构中的硬质点,切削加工中切削力波动现象明显,对切削加工过程造成了不利的影响。通过理论分析和正交试验建立了涂层硬质合金铣刀面铣粉末冶金镍基高温合金时的铣削温度经验公式。结果表明,温度受轴向切深ap的影响最大,其次为径向切深ae和切削速度v。随着切削深度和速度的增大切削力都变大,每齿进给量的变化对切削温度的影响相对较小。建立了钻削剪切面平均温度理论模型和钻削时刀-屑接触面平均温度理论模型,可计算主切削刃上任意点处的平均钻削温度。通过正交试验得到了涂层硬质合金钻头在内冷条件下钻削粉末冶金镍基高温合金的靠近钻削区的温度经验公式；通过反求估算得到了钻孔内壁的温度,并以此结果修正了钻削温度的经验公式。通过单因素试验法得到了切削速度对铣削粉末冶金镍基高温合金表面粗糙度和加工硬化的影响。研究表明提高切削速度能在一定程度上改善工件表面粗糙度；材料加工硬化现象严重,硬化程度达到125%-140%；随着切削速度的提高到70-90m/min时,变形层深度增大至20-30μm左右。通过正交试验建立了涂层硬质合金铣刀面铣粉末冶金镍基高温合金时的表面粗糙度经验公式。对铣削加工表面进行了盐雾腐蚀试验和分析,通过研究发现加工表面耐腐蚀性与表面粗糙度的变化一致,并建立了耐腐蚀性与切削参数之间的关系模型。分别对面铣和钻削粉末冶金镍基高温合金的刀具失效形态和失效机理进行了分析。研究表明铣削刀具的主要失效机理为粘结磨损、扩散磨损、磨粒磨损和涂层剥落；内冷钻削时刀具主要为粘结磨损和氧化磨损；干式钻削时主要为热力耦合作用下的破损。建立了面铣粉末冶金镍基高温合金的刀具寿命经验模型,表明切削速度v及每齿进给量f=对刀具寿命的影响非常显著。从刀具寿命、刀具磨损、切削力、切削变形以及加工表面粗糙度等方面,对高效加工粉末冶金镍基高温合金和镍基高温合金Inconel 718加工性进行了对比,结果表明粉末冶金镍基高温合金的切削加工性大致为Inconel 718的30%。本课题得到国家重点基础研究发展计划（973）（2009CB724401）和“十一五”国家科技支撑计划重点项目（2008BAF32B01）的支持。

论文目录

• 目录
• TABLE OF CONTENTS
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 本课题的研究目的和意义
• 1.2 课题研究背景
• 1.2.1 粉末冶金高温合金的性能
• 1.2.2 粉末冶金高温合金在航空航天领域的应用
• 1.2.3 粉末冶金高温合金的切削加工
• 1.3 本领域的研究现状及存在的问题
• 1.3.1 粉末冶金高温合金切削加工刀具材料现状
• 1.3.2 粉末冶金高温合金本构模型研究现状
• 1.3.3 切削变形机理的研究现状
• 1.3.4 切削力的研究现状
• 1.3.5 切削温度的研究现状
• 1.3.6 切削加工表面质量研究现状
• 1.3.7 刀具磨损及寿命预测模型研究现状
• 1.3.8 存在的问题
• 1.4 课题的提出和主要研究内容
• 第2章 粉末冶金高温合金切削过程变形机理研究
• 2.1 切削粉末冶金高温合金刀具材料的选择
• 2.1.1 粉末冶金镍基高温合金的特性
• 2.1.2 切削粉末冶金镍基高温合金刀具材料的优选
• 2.2 切削粉末冶金镍基高温合金的变形机理
• 2.2.1 切削变形
• 2.2.2 本构方程
• 2.2.3 摩擦系数
• 2.3 切屑形成特征
• 2.4 本章小结
• 第3章 粉末冶金镍基高温合金切削力研究
• 3.1 面铣粉末冶金镍基高温合金切削力研究
• 3.1.1 面铣切削力理论模型
• 3.1.2 面铣切削力试验
• 3.2 钻削粉末冶金镍基高温合金切削力研究
• 3.2.1 钻削力理论模型
• 3.2.2 钻削力试验
• 3.3 本章小结
• 第4章 粉末冶金镍基高温合金切削温度研究
• 4.1 铣削粉末冶金镍基高温合金切削温度研究
• 4.1.1 铣削温度理论模型
• 4.1.2 铣削温度试验研究
• 4.2 钻削粉末冶金镍基高温合金切削温度研究
• 4.2.1 钻削温度理论模型
• 4.2.2 钻削温度试验研究
• 4.2.3 反求估算钻削温度
• 4.3 本章小结
• 第5章 铣削粉末冶金镍基高温合金表面层特征及耐腐蚀性研究
• 5.1 加工表面层特征对零件使用性能的影响
• 5.1.1 表面层特征对耐磨性的影响
• 5.1.2 表面层特征对耐蚀性的影响
• 5.2 铣削加工表面粗糙度
• 5.2.1 表面粗糙度形成机理
• 5.2.2 铣削加工参数对表面粗糙度的影响
• 5.3 铣削表面层的加工硬化
• 5.3.1 加工硬化评价方法
• 5.3.2 表面层加工硬化试验研究
• 5.4 已加工表面耐腐蚀性研究
• 5.4.1 耐腐蚀性试验
• 5.4.2 耐腐蚀性评价
• 5.4.3 切削参数对工件表面耐腐蚀性影响机理
• 5.5 本章小结
• 第6章 高效切削粉末冶金镍基高温合金刀具失效机理、刀具寿命研究及加工性评价
• 6.1 刀具失效形态及机理研究
• 6.1.1 铣削加工刀具失效
• 6.1.2 钻削加工刀具失效
• 6.2 刀具寿命研究
• 6.2.1 铣削加工刀具寿命
• 6.2.2 钻削加工刀具寿命
• 6.3 粉末冶金镍基高温合金切削加工性评价
• 6.3.1 铣削加工性评价
• 6.3.2 钻削加工性评价
• 6.3.3 结论
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文及科研情况
• 附录
• 学位论文评阅及答辩情况表