【摘 要】
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陶瓷刀具脆性高导致对微缺陷敏感度高,切削过程中裂纹扩展失效是导致陶瓷刀具使用寿命降低的主要原因。为了探究切削过程中陶瓷刀具裂纹萌生与扩展动态,提高陶瓷刀具的使用寿命,本文研究了Al2O3/Ti N型自修复陶瓷刀具裂纹萌生与扩展过程及其修复性能。研究了陶瓷刀具切削加工过程中裂纹萌生和扩展动态,首先使用Abaqus建立了局部区域具有微观形貌的陶瓷刀具模型,然后结合内聚力单元构建了陶瓷刀具损伤模型,最后
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陶瓷刀具脆性高导致对微缺陷敏感度高,切削过程中裂纹扩展失效是导致陶瓷刀具使用寿命降低的主要原因。为了探究切削过程中陶瓷刀具裂纹萌生与扩展动态,提高陶瓷刀具的使用寿命,本文研究了Al2O3/Ti N型自修复陶瓷刀具裂纹萌生与扩展过程及其修复性能。研究了陶瓷刀具切削加工过程中裂纹萌生和扩展动态,首先使用Abaqus建立了局部区域具有微观形貌的陶瓷刀具模型,然后结合内聚力单元构建了陶瓷刀具损伤模型,最后建立了切削模型。研究了切削速度和气孔对陶瓷刀具前刀面裂纹萌生与扩展过程的影响,并分别确定了刀具在无气孔与有气孔时刀具会萌生裂纹的切削速度。研究表明,当刀具模型不存在气孔时,刀具切削速度为75 m/min时裂纹萌生,刀具裂纹首先萌生在前刀面上,并且裂纹尖端会产生应力集中现象,随后在外力的持续作用下裂纹扩展;当刀具模型存在气孔时,刀具切削速度大于66m/min时裂纹萌生,由于气孔处会有应力集中现象,随着刀具受到应力增大气孔处会产生微裂纹,刀具裂纹扩展形貌是前刀面主裂纹与气孔处微裂纹同时扩展,然后汇合,此时有部分气孔产生新的微裂纹。裂纹数量增加,加速刀具失效。通过向Al2O3陶瓷材料添加具有自修复功能的组分Ti N与Ti Si2,运用放电等离子烧结（SPS）制备了具有裂纹修复功能的Al2O3/Ti N和Al2O3/Ti N/Ti Si2陶瓷材料。首先,研究了烧结温度和保温时间对材料性能的影响。研究发现,当烧结温度为1475℃,保温时间为6 min时,SPS制备Al2O3/Ti N陶瓷材料具有较好的力学性能,其维氏硬度,抗弯强度,断裂韧性分别为18.74 GPa,574.5 MPa,4.52 MPa·m1/2。当烧结温度为1300℃,保温时间为6 min时Al2O3/Ti N/Ti Si2陶瓷材料力学性能较好,其维氏硬度,抗弯强度,断裂韧性分别为16.75 GPa,719.31 MPa,4.7 MPa·m1/2。材料断口SEM照片显示,力学性能好的陶瓷材料穿晶断裂比例较高,致密度高。对比Al2O3/Ti N与Al2O3/Ti N/Ti Si2陶瓷材料的最佳烧结温度和力学性能发现,加入Ti Si2使Al2O3/Ti N陶瓷材料的最佳烧结温度降低了175℃,抗弯强度提升了25.20%,断裂韧性提高了4.42%。在温度为600、700、800℃的有氧环境下研究了自修复陶瓷材料原位修复性能。研究发现,Al2O3/Ti N在700℃条件下的裂纹修复表面气孔少,裂纹修复效果较好,800℃热处理后裂纹完全修复但表面产生了较多的气孔。Al2O3/Ti N/Ti Si2陶瓷材料在800℃的条件下表面修复效果最好,裂纹得到有效填充,并且表面气孔较少。这是因为Ti Si2会形成阻碍氧气与裂纹接触的氧化膜,提高了Al2O3/Ti N陶瓷材料的最佳修复温度。研究了自修复陶瓷刀具的切削性能。首先使用Abaqus研究了Al2O3/Ti N陶瓷刀具在不同切削速度下切削Ti-6Al-4V的温度,确定刀具能达到修复温度时的切削速度和刀具温度分布规律。确定了切削实验陶瓷刀具修复形貌可能出现的位置,温度云图显示前刀面距离切削刃距离为0-0.07 mm范围可能会出现修复现象。刀具高温范围较小,这是因为刀具热导系数较低,刀具内部的热量传递比较困难,使热量限制在刀具局部范围内。进行了Al2O3/Ti N和Al2O3/Ti N/Ti Si2陶瓷刀具的对比切削实验。实验结果表明,在相同切削参数下,Al2O3/Ti N/Ti Si2陶瓷刀具切削温度与切削力均大于Al2O3/Ti N陶瓷刀具。当切削速度为50 m/min时,Al2O3/Ti N陶瓷刀具前刀面会产生微崩刃现象而Al2O3/Ti N/Ti Si2陶瓷刀具不会产生微崩刃现象,因此加入Ti Si2提高了Al2O3/Ti N基陶瓷刀具切削可靠性。在相同切削距离下Al2O3/Ti N/Ti Si2陶瓷刀具的前刀面磨损深度较浅,后刀面磨损增加。陶瓷刀具前刀面有较长的切屑划痕,主要磨损形式为粘结磨损,后刀面磨损形式为粘结磨损和磨粒磨损。由于切削温度较高,Al2O3/Ti N和Al2O3/Ti N/Ti Si2自修复陶瓷刀具在靠近刀尖的主切削刃处均可观察到较多原位自修复现象。
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