介观形貌重构涂层刀具的高效制备及其切削镍基高温合金基础研究

Nickel-based superalloys have been widely used in aviation and aerospace fields. However, low tool life is the main problem in machining of the nickel-based superalloys and other difficult to machine materials, due to their high strength and low thermal conductivities. Therefore, the investigation of improving the tool life in the manufacturing of the nickel-based superalloys is wildly concerned by scholars and engineers. To solve this problem, this project presents a mesoscopic morphology reconstructed coated tool and its efficient preparation technology. First, design mesoscopic morphology of tool surface based on temperature and stress field, improving the tool-debris contact behavior and lubricating condition, and combine mesoscopic morphology reconstruction with wear-resistant coating to improve the durability of the tool. Second, use the micro-grinding or micro-cutting method to prepare the tool forming die, and then use molding technology to achieve mesoscopic reconstructed tools in a high efficiency and low cost way. Last, cutting experiments are conducted; the coated tools are cutting nickel-based superalloys. The influence of mesoscopic parameters and cutting parameters on the durability of the tool is studied to optimize the mesoscopic parameters and the tool preparation process, and finally, establishe the efficient preparation theory and cutting theory of the mesoscopic reconstructed coating tool. The research is expected to promote the cutting tools of nickel-based superalloys and other difficult to machine materials.

镍基高温合金等难加工材料已广泛应用于航空、航天等领域，由于其高强度与低导热性，使其切削加工存在刀具耐用度偏低的问题，如何改善镍基高温合金等难加工材料的刀具耐用度是学术界与工程界广泛关注的难题。为解决上述难题，本项目提出了一种介观形貌重构涂层刀具及其高效制备方法。首先基于刀-屑接触区的温度场与载荷分布设计刀具介观形貌，通过对刀具介观形貌的设计与重构来改善刀-屑接触特性与润滑状态，并结合耐磨涂层达到改善刀具耐用度偏低的目的；然后采用微磨削或微切削加工方法制备刀具成形模具，利用模压成形技术实现介观形貌重构刀具的高效与低成本制造；最后进行介观形貌重构刀具对镍基高温合金等难加工材料的切削试验，研究介观形貌参数与切削参数对刀具耐用度的影响规律，以优化介观形貌设计理论与刀具制备工艺，最终建立介观形貌重构涂层刀具的高效制备理论与切削理论。本项目的研究将有望推动镍基高温合金等难加工材料用刀具技术的发展

镍基高温合金、钛合金等难加工材料已广泛应用于航空、航天等领域，由于其高强度与低导热性，使其切削加工存在刀具耐用度偏低的问题，如何改善镍基高温合金等难加工材料的刀具耐用度是学术界与工程界广泛关注的难题。为解决上述难题，本项目开展了以下工作：1）本项目采用粉末治金模压成型方法实现了微织构刀具的高效制备，解决了现有微织构刀具制备效率相对较低的难题。制备的微织构刀坯经过了喷丸、刃磨、钝化处理，并通过涂层工艺，制备了微织构涂层刀具。相比现有的激光加工与微细电火花加工方法，通过粉末治金模压成型技术制备的微织构刀具拥有更好的微织构完整性，并且大大提高了微织构刀具的制备效率。2）采用ABAQUS软件与AdvantEdeg软件对无织构刀具与微织构刀具的切削性能进行了对比分析，表面具有织构的刀具可以降低切削过程中的切削力与切削温度，且改变了切削热在刀具切削刃上的传导趋势。3）运用摩擦磨损试验和表面液滴接触角试验对所制备的复合涂层织构表面进行了测试，结果表明具有复合涂层的织构表面展现出更低的摩擦系数，摩察系数曲线振动幅值比普通无织构刀具更小，并且钢球磨损量也要少得多；通过接触角试验表明，复合涂层小织构表面相比普通无织构表面水滴接触角减小了43%，植物油滴比水滴接触角更小。4)采用微织构刀具在干切削与微量润滑状态下，进行了高温合金与钛合金TC4的切削试验研究，发现微织构涂层刀具与普通NT刀具相比具有更小切削力，主切削力降低为9-16%，进给切削力降低25%；通过人工热电偶法测试了切削温度，结果表明不同切削参数下微织构涂层刀具切削温度减少了12%~20%。相比普通无织构刀具，微织构涂层刀具能有效地降低积屑瘤的产生，刀具的耐用度与切削稳定性更好。从切屑形态看，普通无织构刀具的切屑变形程度更大，微织构刀具因刀屑界面的摩擦系数降低，切屑的变形降低，切屑卷曲半径更小。通过本项目的研究，实现了微织构刀具的批量化生产，并且获得了良好的切削效果。