TiCN_Al2O3复合涂层刀具切削天然理石的磨损特性研究

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1、分类号：学校代码：10153UDC：密级：公开硕士学位论文TiCN/Al2O3复合涂层刀具切削天然理石的磨损特性研究作者姓名：闫广宇入学年份：2013年9月指导教师：吴玉厚教授学科专业：机械制造及其自动化申请学位：工学硕士所在单位：机械工程学院论文提交日期：2015年11月论文答辩日期：2015年12月学位授予日起：2016年1月答辩委员会主席：孔祥伟答辩委员会组成：孔祥伟李颂华陆峰石怀涛片锦香邓华波魏春雨论文评阅人：硕士研究生学位论文摘要I摘要天然理石属于典型的硬脆性难加工材料，传统加工中使用的电镀刀具和金刚石烧结刀具由于加工精度低

2、且成本高等问题不能满足现代石材制品的高档化、异型化的加工需求。近年来，复合涂层刀具因其优良的切削性能，正逐渐被应用于高档石材制品切削加工领域。然而由于在涂层刀具磨损等方面的理论与试验研究的缺乏，使得涂层刀具的优势并没有完全发挥。本文以TiCN/Al2O3复合涂层刀具铣削天然理石的刀具磨损特性为研究对象，对切削力和刀具磨损机理等问题进行了系统的研究。分析了涂层刀具材料在天然理石切削中的摩擦磨损理论，结合天然理石铣削加工中的材料去除机理，提出了刀具切削过程中摩擦系数特性随时间变化的五个不同阶段，指出了刀具摩擦系数是天然理石表面粗糙度、刀具

3、后刀面的粘着作用和犁沟作用三个分量的函数。分析得出涂层刀具磨损进程可分为粘着作用、表面疲劳和表面破损三个重要过程。建立了涂层刀具材料磨损率理论表达式，分析发现刀具磨损率主要受到涂层材料和刀具基体材料的断裂韧性与硬度的影响。针对复合涂层刀具切削天然理石的过程，根据刀具外形特点建立几何分析模型。引入微元分析方法，建立刀具铣削力理论模型，通过积分获得刀具切削力理论计算公式。利用DEFORM-3D有限元分析软件，建立复合涂层刀具切削天然理石的切削力仿真模拟。建立了天然理石加工试验系统，其中包括：异型石材车铣加工中心、TiCN/Al2O3涂层铣

4、刀、天然理石工件、切削力检测系统和数据处理系统等。基于试验中测量的切削力数据，得到了天然理石加工中不同切削参数下的切削力信息，对比分析仿真试验数据与实际切削试验数据，结果显示：仿真与实际切削力数值的相对误差在10%左右，验证了仿真模型的可靠性。通过分析切削力试验数据，得到了切削力随不同切削参数的变化特性与规律。分析可得：在本次试验条件下，在切削线速度较高时，局部脆塑转换机制的出现在一定范围内降低了切削力，进给速度和切削深度的增大使切削力增大。在给定切削深度时，切削线速度在75.36-94.2m/min，进给速度在1000-1500mm

5、/min范围内变化时切削力变化比较平稳，切削状态理想。利用扫描电子显微镜观测磨损后的刀具表面，测量与统计刀具在不同切削参数下的磨损量。根据刀具磨损量数据，确立了复合涂层刀具切削天然理石的刀具磨损量预测经验公式。详细分析了不同加工参数的变化对刀具磨损量的影响特性，在一定条件下，随着加工中心的主轴转速即切削线速度的增大，刀具磨损量降低，随进给速度和切削深度的增大，磨损量增大。根据磨损后的刀具表面SEM形貌图和能谱检测仪结果，阐述了复合涂层刀具在天然理石切削中的磨损形貌特征和磨损机理。分析可知：刀具磨损机理可分为粘结磨损、磨粒磨损、疲劳磨损

6、和微振磨损，其中微振磨损是一种复合式磨损形式。结合切削力试验数据，分析了刀具磨损形式和磨损机理随切削参数变化的转换特性。指出刀具的磨损形式的转换与切削力的变化特性直接相关，其根源为切削参数的变化。最后提出了II摘要硕士研究生学位论文TiCN/Al2O3复合涂层刀具在实际切削加工中参数配合选择的优化建议。关键词：TiCN/Al2O3；复合涂层刀具；天然理石；切削力；磨损机理硕士研究生学位论文AbstractШAbstractThenaturalmarbleisatypicalhardbrittlediffcult-to-machinem

7、aterial.Duetothelowmachiningaccuracyandhighcost,theelectroplatedtoolandsintereddiamondcuttingtoolcannotmeetthehigh-gradeandspecial-shapeneedsofthemodernstoneproducts.Inrecentyears,thecompositecoatedtoolisgraduallybeingusedinhigh-gradestoneproductsmachiningfieldforitsexc

8、ellentcuttingperformance.However,theadvantagesofthecoatedtoolsarenotfullyexertedduetothelackoftheoreticalandex