面向钛合金高速切削的具有功能微结构表面无Co硬质合金刀具的磨损机理研究

Based on the requirement of the tool performance in high speed machining of titanium alloy, the WC-Ni3Al ultra-fine crystalline carbide is proposed to replace the common WC-Co carbide, meanwhile, the functional micro-textured tool face is utilized to replace the traditional smooth tool face. A combination of the spark plasma sintering technology and the ultra-precision CNC grinding technology is utilized to fabricate the WC-Ni3Al ultra-fine crystalline carbide with micro-textured surface. By using the modern material test and analysis techniques, the hydrodynamic theory, and thermodynamics, the effect of the content of Ni3Al, the crystal size of WC, the shape and scale of micro-texture on the cooling and lubricating mechanism, the oxidation resistance, the dissolution-diffusion degree and the friction-wear performance with the titanium alloy are investigated. Furthermore, the relationship between the design and performance of the WC-Ni3Al ultra-fine crystalline carbide with micro-textured surface and the physical parameters in high speed machining of titanium alloy is investigated. Finally, the preparation theory, preparation method and the machining processing technology for the micro-textured WC-Ni3Al ultra-fine crystalline carbide with high hardness, high toughness, high wear resistance, good frictional-lubricating property and high oxidation resistance in high speed machining of titanium alloy are obtained.

基于钛合金高速切削加工对于刀具性能的要求，提出采用WC-Ni3Al超细晶硬质合金取代传统的WC-Co硬质合金材料，同时采用具有功能微结构的刀面型式替代传统的光滑刀面型式；综合利用放电等离子烧结技术及超精密数控磨削技术，制备具有功能微结构表面的WC-Ni3Al超细晶硬质合金刀具；采用现代材料测试分析技术和流体力学及热力学理论，研究Ni3Al含量、WC晶粒尺寸及微结构的形式和尺度对刀具的抗氧化性能，刀具与钛合金之间的溶解-扩散特性和摩擦磨损性能，及对刀-屑界面间的冷却润滑作用性能的影响；研究在不同加工工艺条件下高速切削钛合金时，具有功能微结构表面的WC-Ni3Al超细晶硬质合金刀具的设计和性能与加工过程中各特征量的相关关系；获得具有良好刀-屑间摩擦润滑特性、高硬度、高耐磨性及高温化学稳定性的高速切削钛合金微结构WC-Ni3Al超细晶硬质合金刀具的制备理论、制备方法和加工工艺技术。

基于钛合金高速切削加工对于刀具导热性、抗氧化性、耐磨性及与钛合金之间热化学稳定性的要求，项目提出采用WC-Ni3Al硬质合金取代传统的WC-Co硬质合金材料，同时采用具有功能微结构的刀面型式替代传统的光滑刀面型式。在此基础上，开展了基于钛合金高速切削的具表面微结构的WC-Ni3Al硬质合金刀具的磨损机理研究，研究内容及结果如下：. (1) 进行WC-10Ni3Al硬质合金的抗氧化性能测试，及其与钛合金之间的溶解-扩散特性和摩擦磨损性能测试。试验结果显示在800oC高温条件下，WC-10Ni3Al相对WC-8Co具有更好的抗氧化性能，且与钛合金之间元素的溶解-扩散程度更小；在与Ti6Al4V及Si3N4干摩擦条件下，WC-10Ni3Al相对WC-8Co具有更好的抗粘结磨损性能及抗磨料磨损性能。. (2) 进行切削过程中切削液渗透刀具前刀面微结构的流体动力学分析，总结切削液渗透前刀面的必要条件，获得了采用电解水溶切削液(运动粘度：0.1588×10-6m2/s, 定压比热：9044J/kg.K, 导热率：0.686W/m.K, 密度：0.995kg/m3)冷却润滑条件下，刀具前刀面微织构的最优尺寸（微织构最优等效直径为50m）。进行WC-10Ni3Al硬质合金表面微织构激光加工工艺优化，并发展了微织构激光加工的冰层冷却工艺。. (3) 进行具有光滑刀面型及微织构刀面型的WC-Ni3Al硬质合金刀具车削Ti6Al4V时的耐磨性测试，并分析了相关磨损机理。试验结果显示在高速切削条件下，WC-10Ni3Al硬质合金刀具的寿命远高于WC-8Co硬质合金刀具；刀具表面微织构能够有效的减少高速切削Ti6Al4V过程中的刀具前刀面的粘结现象，且微织构对WC-10Ni3Al硬质合金刀具寿命的延长作用要高于WC-8Co。. (4) 获得具有良好刀-屑间摩擦润滑特性、高硬度、高耐磨性及高温化学稳定性的高速切削钛合金微结构WC-Ni3Al超细晶硬质合金刀具的制备理论、制备方法和加工工艺技术。项目的实施对于提高钛合金的加工技术水平，具有一定理论价值和经济推动作用。