《基於疲勞裂紋取向效應的多維梯度複合刀具基礎研究》是依託山東大學，由趙軍擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：基於疲勞裂紋取向效應的多維梯度複合刀具基礎研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：趙軍
- 依託單位：山東大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
高速斷續切削加工（面銑和斷續車削）是套用最廣泛的高速切削技術，刀具承受切入、切出瞬時的強烈熱－機械衝擊、鋸齒切屑形成導致的超高頻摩擦振盪、以及空切階段冷卻及應力釋放的循環互動作用，刀具失效是非常複雜的熱－機械複合疲勞過程。本項目針對淬硬鋼的高速斷續切削加工，採用多時間尺度與多空間尺度相結合的建模方法，研究刀具應力、應變和溫度的時空演變規律，模擬刻畫熱－機械複合疲勞裂紋的擴展過程及其取向，並提出複合失效判據。建立多維梯度複合刀具設計模型，將其性能取向與刀具疲勞裂紋取向相關聯，將刀具的刀－屑、刀－工接觸區設計為高硬度陶瓷，沿疲勞裂紋擴展方向通過組分漸變以提高強度、韌性和抗疲勞性能，使疲勞裂紋沿阻力最大的方向擴展。最佳化刀具材料組分及其分布、燒結製備工藝，製造多維梯度複合刀具，提高抑制高速斷續切削刀具熱－機械複合疲勞失效的能力，提供高速切削刀具設計的新原理和新方法，具有重要的理論和實際意義。
結題摘要
絕大多數高速切削加工的套用場合均屬於斷續切削，而其中最典型且刀具工作條件最嚴酷的就是高硬材料的乾式斷續車削和面銑。國內外大量研究結果表明：高速斷續切削刀具的主要失效形式不是磨損，而是以熱-機械複合疲勞為特徵的破損。本項目針對淬硬鋼的高速斷續切削加工，採用切削試驗結合有限元仿真的方法，研究了刀具應力、應變和溫度的時空演變規律。在此基礎上，採用3D顯微鏡對陶瓷刀具斷續車削20CrMnTi淬硬鋼時的刀具疲勞裂紋擴展路徑進行分析。結果發現，在疲勞裂紋起始階段：衝擊作用下疲勞裂紋起源於刀具前刀面最大拉應力處，並由此向刀具內部擴展。疲勞裂紋擴展階段又可分為三個階段。第一階段：由於循環剪應力的作用，裂紋沿著最大剪應力方向擴展（與壓應力近似呈45°方向）；第二階段：裂紋擴展方向沿垂直於最大主應力的方向擴展，即平行於前刀面方向擴展；第三階段：由於邊緣效應，導致裂紋向邊緣（即刀具前刀面）擴展，最終引起刀具斷裂。該結果與採用擴展有限元法（XFEM）和內聚力法（CZM）得到的裂紋擴展規律相符，為多維梯度複合刀具提供了設計依據。建立了多維梯度複合刀具設計模型，通過梯度層數、梯度層厚度以及燒結工藝最佳化，研製成功Al2O3-(W, Ti)C-TiN、Al2O3-TiC和Al2O3-TiC-TiB2三種體系的多維梯度複合刀具，它們的維氏硬度、斷裂韌度和抗彎強度分別為23.55GPa（表層）、10.16MPam1/2（表層）和1018MPa；21.22GPa（表層）、9.07MPam1/2（表層）和761MPa；以及23.59GPa（表層）、7.45MPam1/2（表層）和764.11MPa。高速斷續車削淬硬鋼時，多維梯度複合刀具的壽命高於商用均質陶瓷刀具、塗層硬質合金刀具以及相同材料體系的一維梯度複合刀具，主要原因在於多維梯度複合刀具具有較高的抗機械衝擊和熱衝擊性能，從而提高了抵抗熱-機械疲勞裂紋擴展的能力。本項目所提出的多維梯度複合刀具設計思想為難加工材料切削刀具的研製提供了一種新思路；針對疲勞裂紋“取向效應”的刀具性能“取向設計”為刀具延壽開闢了一條新途徑。
