自润滑梯度硬质合金刀具材料制备及其切削性能研究

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1、密级：非密中图分类号：TG711硕士学位论文自润滑梯度硬质合金刀具材料制备及其切削性能研究研究生：许靖伟导师：唐思文副教授刘德顺教授学科：机械工程研究方向：先进制造技术2018年5月AThesisSubmittedfortheDegreeofMasterPreparationandCuttingPerpormanceofSelf-lubricatingGradedCarbideToolMaterialsCandidate：XuJingweiSupervisorandRank：TangSiwen,AssociateProfessorLiuDeshun,Profe

2、ssor自润滑梯度硬质合金刀具材料制备及其切削性能研究学位类型学术型学位作者姓名许靖伟作者学号15010301017学科（专业学位类别)机械工程研究方向（专业领域)先进制造技术导师姓名及职称唐思文副教授刘德顺教授所在学院机电工程学院论文提交日期2018年5月学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年

3、月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日摘要在功能梯度硬质合金刀具的设计中，本文采用添加固体润滑剂的润滑方式，以WC、TiC为基体，Ni3Al为粘结相，CaF2为固体润滑剂，成功制备了力学性能良好的的自润滑梯度硬质合金刀具材料，并对其高速干切

4、削加工性能进行了研究。从刀具残余应力入手，运用有限元法和材料学理论与方法，在刀具材料的组分设计、制备、力学性能及其微观组织和切削性能等方面开展研究，主要研究内容和结论如下：将功能梯度材料的设计思想与自润滑刀具的设计和制造相结合，建立了自润滑梯度硬质合金刀具材料的物理模型、材料分布模型及物性参数模型。采用有限元法对刀具材料模型进行残余应力分析与计算，分析材料分布指数、层数和层厚对其残余应力的影响和分布规律。结果表明自润滑梯度硬质合金刀具材料中的X轴向应力由拉应力逐渐变成压应力，再过渡到拉应力，最后在表层形成压应力；在刀具材料中的基体侧面主要承受Y轴向拉应力，在梯

5、度层侧面则受到Y轴向压应力的作用；刀具材料的Z轴向应力分布规律与X轴向应力的基本相同。采用微波快速加热技术，成功制备了自润滑梯度硬质合金刀具材料。对其力学性能及微观组织进行了分析。结果表明WC、TiC和Ni3Al等各成分在各梯度层中的分布较均匀，且梯度组分变化连续、层间界面清晰且结合良好；在烧结过程中，当保温时间为30min时，刀具材料更加致密，孔隙更少且更细；刀具材料的弯曲强度、洛氏硬度和密度均随温度的升高呈现先增大后减小的趋势，在1500℃时达到极大值；刀具材料的强度和硬度随着分布指数n1的增大先升高后降低，在n1=2时达到极大值，分别为1230MPa和8

6、0.2HRA，密度随着n1的增大先降低后升高再减小，在分布指数n1=2时达到极大值39.47g/cm。当n1=2、n2=n3=1（SGCT1）时，自润滑梯度硬质合金刀具材料具有较高的综合力学性能。以强度为优化目标，通过对烧结温度、分布指数n1、n2、n3等四个主要因素进行正交分析，得出了影响刀具材料强度的主要因素是烧结温度，其次是n3和n1，n2的影响最小。确定了烧结温度取1500℃、n1=2、n2=1、n3=2（SGCT2）时为优组合。对所制备的自润滑梯度硬质合金刀具SGCT1、SGCT2与均质硬质合金刀具HCT及市售YT5和YT15刀具进行了直角干切削实验

7、，研究了切削用量对三向切削力和刀屑间摩擦系数的影响，并对比观察了切屑形态。结果表明SGCT1、SGCT2的主切削力变化趋势基本一致，均随着切削速度的增大先升高后降低，两者前刀面刀屑间摩擦系数随着切削速度的增大逐渐减小。在相同切削条件下，SGCT1和SGCT2的摩擦系数均比YT5和YT15的小，而SGCT2刀具的摩擦系比SGCT1的低4.7%-12.8%。自润滑梯度硬质合金刀具比均质硬质合金刀具拥有更好的减摩性、耐磨性和综合切削性能。关键词：功能梯度刀具；自润滑；硬质合金；有限元法；残余应力IAbstractInthedesignoffunctionallygr

8、adedcarbidecuttingt