基于切削热软化效应的超硬刀具高效低损伤铣削钛基复合材料基础研究

Titanium matrix composites (TMC) have the higher specific stiffness/strength, higher wear/corrosion resistance, higher anti-fatigue performance and better high temperature properties, which are recognized as one of the new materials to replace titanium alloys. However, due to the low plasticity and fracture toughness, non-uniformity and abrasive nature of the reinforcement, machinability of this kind of material is poor which embodied in excessive tool wear, poor surface finish, low productivity and high machining cost even cut with diamond tools, which severely restricts their wide application. Using superhard tools, this subject reasonably utilizes the cutting heat to soften the high strength titanium matrix in order to facilitate the in-situ embedding of the reinforcement and reduce the cutting forces, which can remarkably improve the machining surface finish and reduce the tool wear rate. The key scientific issues of research include deformation and fracture behaviour of TMC workpiece material under the elevated temperature, high pressure and strain rate conditions, characteristic of heat transfer and tribology analysis on the milling process of TMC , Micro-mechanical modelling for the reinforcement removal under different cutting temperature and the quantitive description on the relationship between the reinforcement removal and the tool wear. The accomplishment of this subject would significantly upgrade the research level of our country in the field of high-efficiency, low machining-induced-damage milling on TMC, and promote the more widely using of this outstanding material.

钛基复合材料具有更高的比强度和比模量、极佳的抗疲劳以及优异的高温性能和耐蚀性能，被认为是能够替代钛合金的新一代材料。然而，钛基复合材料在切削过程中表现出的刀具寿命短、表面质量差、生产效率低、加工成本高等突出问题严重限制了钛基复合材料的推广使用。本项目拟使用超硬材料刀具，控制并利用切削热适度软化高强度钛合金基体以利于增强相的原位压入和降低切削力，达到显著提高加工表面质量和降低刀具磨损率的目的。研究的关键科学问题包括：高温、高压、高应变率条件下钛基复合材料动态力学特性和破坏机制；不同切削温度下钛基复合材料铣削过程的传热学和摩擦学；不同切削温度下增强相去除机制的细观力学；增强相去除方式与刀具磨损关系的定量描述。项目研究最终将显著提升我国钛基复合材料高效低损伤加工的研究水平，并促进性能优越的钛基复合材料在更多行业的推广应用。

为解决限制钛基复合材料推广应用的刀具磨损率极高、加工成本高、加工表面缺陷多、生产率低下等突出加工难题，提出对于不同体分比的钛基复合材料其切削加工中存在一个最佳切削温度区间的观点，并提出使用超硬材料刀具、通过控制并利用切削过程本身产生的切削热适度软化加工表层的高强度钛合金基体以显著提高加工表面质量和降低刀具磨损率的研究设想。基于此设想，课题对钛基复合材料高效低损伤加工过程涉及的最佳切削温度区间确定、切削热软化效应改善钛基复合材料铣削加工性机制、切削温度及其控制、铣削工艺优化等重要关键科学问题进行了系统、深入研究，取得了以下重要结果：.1、钛基复合材料流变应力的峰值随外加温度的增加而显著减小，特别在压缩应变率8000-10000s-1范围内，vol.10(TiCp+TiBw)/TC4钛基复合材料在500-700℃时的流变应力峰值与常温下相比下降39-48%且随应变率的增大而明显减小。这表明可通过适当提高切削温度来降低钛基复合材料的流变应力，从而达到显著降低切削力和刀具磨损率的目的。.2、聚晶金刚石刀具（Polycrystalline Diamond, PCD）高效低损伤铣削钛基复合材料（vol.10%(TiCp+TiBw)/TC4）时的最佳切削温度区间为420-480℃。当切削速度从60m/min增大到150m/min时，新刀和刀具磨损（VB=0.1mm）的切削温度分别从430℃和480℃升高到590℃和680℃。.3、建立了PCD刀具高速铣削钛基复合材料时的切削温度数学模型，并建立了钛基复合材料高速铣削加工过程的热传导数学模型，提出了基于权重粒子群算法的时变热流密度辨识方法，探讨了辨识基本参数的选择。.4、PCD刀具高速切削钛基复合材料时过短的刀具寿命是磨粒磨损和扩散磨损综合作用结果。鉴于此，可通过适当提高切削温度，从而增加钛基复合材料中增强相的转动或原位压入的机会，从而显著减弱磨粒磨损，最终达到显著降低刀具磨损率。.5、(TiCp+TiBw)/TC4复合材料在高应变率压缩变形过程中都会产生绝热剪切带，在较高的应变率和较大应变下绝热剪切带中会产生微裂纹。高速切削钛基复合材料时，大小、形状不均匀的锯齿形切屑的形成机制是应变集中和绝热剪切综合作用结果。.6、对刀具材料晶粒尺寸、冷却方式、刀具几何参数等对钛基复合材料加工性的影响进行了全面研究，获得了最佳工艺条件。