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            梯度涂層高速鋼刀具切削性能及磨損失效機理研究

            時間:2015-04-07 11:12 | 來源:瀚超特殊鋼 | 作者:技術中心 | 點擊:

                 現代金屬切削加工正超著高速、高精度、高效、智能和環保的方向發展,對刀具性能的要求越來越高。實踐表明,僅從刀具設計和制造工藝或材料方面進行刀具性能的整體改善,不僅技術上難度很大,而且資源利用上極不經濟。利用表面涂層技術,通過對刀具表面進行改性處理,是提高刀具綜合性能和加工效率的有效途徑,已得到世界各國制造界的高度重視和認可,并得到迅速發展和推廣應用。

                論文以高速鋼刀具為研究對象,將現代摩擦學理論與金屬切削理論結合起來,分析了金屬切削過程中刀-屑與刀-工接觸界面間的摩擦特性,建立了切削摩擦學分析模型及評價刀具磨損失效的方法;針對涂層材料與高速鋼的性能差異,在分析高速鋼刀具涂層設計原則的基礎上,引入功能梯度材料的設計概念,設計了具有梯度結構的CrAlTiN硬涂層和類石墨(GLC,Graphit-like carbon)固體潤滑涂層;利用閉合場非平衡磁控濺射離子鍍方法,成功地實現了M2高速鋼刀具表面涂層制備。

                研究了涂層性能的試驗方法,實現了涂層與基體結合強度、摩擦特性及微觀組織結構的測定和分析,獲得了兩種與高速鋼基體結合和匹配性好、組織均勻致密、達納米尺度晶粒、具有良好抗摩擦磨損性能的涂層組織結構和制備工藝方法,為提高和改善刀具切削性能提供了保證。

                采用直接測量刀具磨損和切削力的方法,研究了涂層高速鋼刀具在干式切削條件下加工不同材料的切削性能及其適應性。

            通過對不同材料的車削、鉆削及銑削試驗,CrAlTiNGLC梯度涂層高速鋼刀具在切削過程中的磨損形式、刀具壽命及切削力等方面進行了大量的實驗研究,并與未涂層刀具等進行了分析對比,獲得了不同加工方式下涂層刀具磨損、切削力以及積屑瘤產生的變化規律,從而形成了CrAlTiNGLC梯度涂層刀具的適應范圍和切削條件,對擴大高速鋼刀具的使用范圍,減小刀具磨損,提高刀具壽命,降低切削力和粘屑,穩定尺寸精度和加工質量,提高加工效率找到了有效的途徑。采用掃描電子顯微鏡和場發射掃描電子顯微鏡對刀具磨損區域進行了觀察和分析,研究了涂層對高速鋼刀具的改性機理及涂層高速鋼刀具的磨損特性和失效機理。結果表明,涂層降低刀具溫度,主要不是因為涂層對高速鋼刀具基體的隔熱作用,而是通過減小由切削變形功和刀-屑與刀-工間的摩擦功轉化的熱量,以及傳導到刀具的切削熱比例所引起的;并獲得了刀具耐磨性高,在切削速度較低時,主要是涂層的高硬度和高耐磨性起作用,而切削速度較高時,主要涂層的高化學穩定性和耐熱性起作用的重要結論。

            在車削實驗中,發現了前刀面月牙洼形成及發展的變化規律,研究了涂層在磨損過程中的作用,得出了正常磨損情況下,月牙洼的形成發展三階段磨損機理。在鉆削實驗中,獲得了GLC梯度涂層良好的固體潤滑效果,特別是鉆削鋁硅合金或低速鉆削鋼料時對粘屑及積屑瘤的抑制作用,使孔的尺寸精度和表面質量明顯提高;并發現了CrAlTiN梯度涂層鉆頭在干式切削條件下刀具各部分的磨損規律。

            銑削實驗表明,在正常磨損情況下CrAlTiN梯度涂層立銑刀主、副后刀面轉角以磨粒磨損形成的三角形為主要磨損形式。研究開發了一種氣泡霧化小量冷卻潤滑系統,并對噴嘴下游流場特性進行了分析;在此基礎上進行了小量冷卻潤滑條件下涂層刀具的切削試驗。結果表明,刀具磨損、粘屑現象大大減小,刀具壽命顯著延長,是一種很有發展前景的切削加工技術。

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