高速铣削航空铝合金整体硬质合金立铣刀研制及其性能研究

【类型】学位论文

【作者】潘永智 

【关键词】 航空铝合金,立铣刀,高速铣削,硬质合金

【摘要】高速切削加工技术是最重要、最具共性的先进制造技术之一，具有广阔的应用前景。近年来，国内飞机制造企业从发达国家引进了大量先进的高速加工数控机床和加工中心用于航空铝合金的高速切削加工，但是我国数控高速刀具技术远远滞后于数控机床主机的发展，不得不花费大量资金引进进口刀具。国内某航空制造企业现场加工中通常采用整体硬质合金立铣刀高速铣削航空铝合金结构件，存在刀具磨损较快、破损严重、刀具消耗大、进口刀具成本高的问题。因此，研制高性能的整体硬质合金国产刀具，对打破发达国家技术垄断、节约生产成本、保证国防安全都具有应用价值和理论意义。本文围绕高性能超细晶粒硬质合金刀具材料制备及其高速摩擦磨损性能和抗氧化性能、高速刀具结构设计理论体系等问题，展开深入系统的理论研究和实验研究，最终成功研制高性能的超细晶粒整体硬质合金立铣刀。对生产现场使用的进口硬质合金刀具Endmill-A和Endmill-B进行力学物理性能检测、显微结构观察和化学成分分析，为本文研制高性能硬质合金材料UFG提供对比依据，并提供一套统一的性能、显微结构和化学成分的检测方法。基于高速铣削航空铝合金磨损/破损机理和刀具-工件材料的性能匹配，提出并建立超细晶粒硬质合金刀具材料开发体系，并制备高性能的超细晶粒硬质合金刀具材料。分析现场使用的进口硬质合金刀具高速铣削航空铝合金时的磨损/破损机理；分析硬质合金粘结相Co、硬质相WC、添加相之间的物理化学相容性；研究硬质合金刀具与航空铝合金工件的物理、力学及化学性能匹配，设计WC-Co基超细晶粒硬质合金的组分体系；采用挤压成型和低压烧结工艺制备高性能超细晶粒硬质合金棒料；对所研制材料UFG的力学性能、显微结构和化学成分进行分析、研究。所研制WC-Co基硬质合金刀具材料UFG的晶粒度为0.3~0.5μm，Co含量为Xwt%，力学性能：维氏硬度(HV30)为1610kgf/mm2，抗弯强度为4300MPa，断裂韧性为11MPam1/2，其力学性能及显微结构均匀性优于现场使用的进口刀具Endmill-A和Endmill-B。研究超细晶粒硬质合金干摩擦航空铝合金的高速摩擦磨损特性。在CA6140车床上配置摩擦磨损试验装置，提供比普通销盘式和环块式摩擦磨损试验机更高的法向载荷和速度，同时测量摩擦力和摩擦温度。研究法向载荷、速度等摩擦磨损条件对超细硬质合金摩擦磨损性能的影响；研究WC晶粒度、Co含量及材料力学性能对硬质合金摩擦磨损性能的影响，揭示超细硬质合金高速干摩擦航空铝合金时的摩擦磨损机理。结果表明，超细晶粒硬质合金UFG比亚微米晶粒硬质合金Endmill-A和Endmill-B耐磨损性能更优越。研究超细晶粒硬质合金的抗氧化性能和氧化后刀具力学性能的衰减机理。研究超细晶粒硬质合金氧化增重量随氧化时间和氧化温度的变化规律，并建立超细晶粒硬质合金的氧化动力学模型；对比研究WC晶粒度和Co含量对硬质合金抗氧化性能的影响；分析氧化试样表面氧化层的组成成分和微观形貌，并分析氧化试样抛光处理后试样表面附近区域组成成分和显微结构的变化，揭示氧化后超细晶粒硬质合金硬度和抗弯强度的衰减机理。结果表明，超细晶粒硬质合金UFG比亚微米晶粒硬质合金Endmill-A和Endmill-B抗氧化性能更优越。 提出并建立以铣削均匀性为基础、以刀具动态特性和刀具静态力学性能为约束条件的高速刀具结构设计理论体系，该理论体系同时考虑刀具结构参数与铣削均匀性、刀具动态特性和刀具静态力学性能之间的关系。铣削均匀性体现刀齿-工件接触过程几何关系的协调、均匀程度；以最小稳定极限轴向切削深度作为刀具动态切削稳定性的判据，研究刀具结构参数对高速切削系统动态特性和切削稳定性的影响；分析具有不同结构参数的整体硬质合金立铣刀的静态力学性能。以不同结构参数的整体硬质合金立铣刀进行刀具模态实验和高速铣削航空铝合金性能实验。在不同切削参数下验证基于铣削均匀性的刀具结构设计理论体系的合理性。通过模态实验识别切削系统的模态参数和频响特性，以此分析刀具结构参数对切削稳定性的影响；用研制的超细晶粒硬质合金立铣刀UFG和Endmill-B立铣刀进行性能实验，结果表明高速铣削航空铝合金时UFG立铣刀的耐磨损性能和磨损寿命均优于Endmill-B立铣刀。本课题得到某航空制造企业XX工程项目“数控高速刀具研制”的合作和资助关键词：超细晶粒硬质合金；立铣刀；航空铝合金；铣削均匀性；高速切削稳定性

【学位名称】博士

【学位授予单位】山东大学

【学位授予年度】2016

【导师姓名】艾兴

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