【摘 要】
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钴基高温合金广泛应用于航空喷气发动机的导向叶轮、叶片以及工业燃气轮机等高温作业环境中的零部件,其切削加工过程中刀具磨损严重、加工质量差等问题突出。陶瓷刀具硬度高、耐磨性好、化学稳定性高,在高温下仍能保持良好的切削性能,是钴基高温合金高速切削加工的首选刀具之一,但在高速切削过程不稳定时,陶瓷刀具容易出现崩刃、剥落等现象。研究发现,刀具经过合理的表面处理可显著改善其切削性能,因此,本文提出通过优化表面
【基金项目】
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感谢国家自然科学基金(51505264、52075306); 国家重点研发计划项目(2018YFB2001400); 山东省自然科学基金(ZR2020ME156); 中国博士后科学基金(2019M652439); 2020年度山东省新旧动能转换重大工程重大课题攻关
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钴基高温合金广泛应用于航空喷气发动机的导向叶轮、叶片以及工业燃气轮机等高温作业环境中的零部件,其切削加工过程中刀具磨损严重、加工质量差等问题突出。陶瓷刀具硬度高、耐磨性好、化学稳定性高,在高温下仍能保持良好的切削性能,是钴基高温合金高速切削加工的首选刀具之一,但在高速切削过程不稳定时,陶瓷刀具容易出现崩刃、剥落等现象。研究发现,刀具经过合理的表面处理可显著改善其切削性能,因此,本文提出通过优化表面处理工艺来改善陶瓷刀具表面性能,从而提高其高速切削性能。本文通过Deform有限元仿真优选出适合切削钴基高温合金的陶瓷刀具材料,进行高速切削钴基高温合金试验,揭示刀具磨损机理,针对陶瓷刀具的磨损形式、磨损机理进行表面处理工艺研究,优化表面处理工艺,阐明表面处理工艺对刀具切削性能和加工表面完整性的影响规律,从而建立高速切削高温合金陶瓷刀具切削性能提升的方法理论。首先,建立陶瓷刀具与钴基高温合金之间的三维有限元仿真模型,其中刀具分别选择氧化铝基陶瓷刀具、氮化硅基陶瓷刀具和Sialon基陶瓷刀具。研究三种刀具在切削过程中的切削力、应力场、温度场和刀具磨损。通过仿真对比分析发现,氧化铝基陶瓷刀具的切削性能较好。其次,基于优选的陶瓷刀具,进行高速切削钴基高温合金试验,揭示陶瓷刀具磨损机理。结果表明:随着切削速度的提高,切削温度逐渐升高,切削力先减小后增大,在较高的切削温度和较低的切削力条件下,刀具后刀面磨损量较小。刀具的主要磨损形式为正常前后刀面磨损以及非正常的崩刃。低速时,刀具后刀面主要磨损机理为磨粒磨损和粘结磨损;高速时还伴有氧化磨损。再次,针对陶瓷刀具抵抗磨粒、粘结、氧化磨损能力的提升要求,研究抛光、深冷、热处理、微喷砂等表面处理工艺,揭示表面处理工艺对陶瓷刀具表面性能的影响规律。结果表明:不同表面处理工艺均能不同程度改善陶瓷刀具表面性能,但各有侧重点,其中热处理对陶瓷刀具表面维氏硬度和残余压应力提升最大。最后,基于表面处理后的陶瓷刀具,进行高速切削钴基高温合金试验,分析不同刀具表面性能对切屑变形、切削力、切削温度、刀具磨损以及加工表面完整性的影响规律。结果表明:陶瓷刀具经过800℃、升温速率3℃/min、保温2h的处理,可获得高的表面维氏硬度和表面残余压应力,能够减小切屑变形,降低切削力与切削温度,从而降低刀具磨损,提高加工表面质量。本项工作对刀具切削性能的提升和高速切削钴基高温合金具有实际指导意义。
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