基于性能驱动的难加工材料切削刀具设计制造理论与关键技术研究

航空航天、能源、汽车等行业各种难加工材料高速切削刀具的研制开发越来越受到各国的重视。然而目前刀具的研制大多仍采用试错法或经验法/半经验法来进行，具有一定的盲目性。本项目针对铁基高温合金和超高强度钢等典型难加工材料，以高刀具寿命为目标，进行刀具各种热/物理/化学/力学性能的最优配置，提出基于性能驱动的难加工材料切削刀具设计制造理论和方法。建立考虑随机性的刀具材料微观结构模型，采用微观力学方法，进行导热系数、硬度、强度及高温强度、断裂韧性等性能的预报，以最优配置的性能为目标，进行刀具材料微观结构的优化及重构，并开发性能预报及刀具材料优化设计软件；研究刀具材料原料处理及烧结制备工艺，并进行工艺参数优化，验证刀具设计理论，研制成功适于高速加工铁基高温合金和超高强度钢的微纳米复合陶瓷和金属陶瓷刀具，对于丰富和完善刀具设计理论，提高难加工材料的加工效率及刀具寿命，具有重要的理论和实际意义。

航空航天、能源、汽车等行业各种难加工材料高速切削刀具的研制开发越来越受到各国的重视。本项目提出基于性能驱动的难加工材料切削刀具设计方法，以高刀具寿命为目标，分别针对淬硬钢、铁基高温合金和超高强度钢等工件材料，进行高速切削刀具寿命试验，研究了刀具失效机理，建立了包含刀具失效机理的刀具磨损率模型；选取典型的刀具原材料成分，通过“化学热力学”计算，进行了刀具材料组分设计；选取最重要的性能参数为刀具寿命的子目标并确定了各自的权重，针对不同工件材料，进行了刀具材料物理、力学性能的最佳配置。设定了表征刀具材料微观结构“随机性”的拓扑参数（各相的体积分数、晶粒尺寸分布、位置分布等），通过程序开发进行了不同参数条件下的微观结构建模，并实现图形化。采用微观力学“均匀化”理论与计算微观力学相结合的方法，考虑残余热应力的影响，进行了刀具材料各种热/物理/力学性能的预报。以确定的具有不同权重的各种性能指标为目标，建立了多目标优化模型，进行微观结构拓扑参数（各相的体积分数、晶粒尺寸分布函数等）的优化求解，再采用已建立的微观结构建模方法，进行了针对不同工件材料的刀具材料最佳微观结构设计。根据刀具材料组分设计结果（基体、强化相成分及体积分数），建立刀具材料烧结过程晶粒成核、生长及再结晶动力学模型，分析烧结温度、压力、保温时间等工艺参数对材料微观结构演变行为的影响规律。通过烧结试验及微观结构观察，确定了基体、强化相原料的最佳粒度及最优烧结工艺参数，制造成功适于高速加工淬硬钢、铁基高温合金和超高速强度钢的复合陶瓷和金属陶瓷刀具。与商业化陶瓷、硬质合金、金属陶瓷刀具进行对比，分别进行了所研制的复合陶瓷和金属陶瓷刀具高速切削淬硬钢、铁基高温合金和超高速强度钢的试验，研究了刀具寿命、失效机理，验证了本项目所推出的刀具设计方法，对于提高难加工材料的加工效率及刀具寿命，具有重要的理论和实际意义。