[01656815]基于性能驱动的高速切削刀具设计制造理论与关键技术研究

1. 课题来源与背景 成果来源于3项国家自然科学基金项目。 高速切削刀具技术是高速切削中的核心要素,而其中刀具材料是关键。虽然高速切削加工与常规切削加工相比,在提高生产率、减少热变形和切削力等方面具有显著的优越性,但对于钛合金、高温合金、淬硬钢和超高强度钢等难加工材料,目前的切削速度/切削效率、刀具寿命仍然很低,刀具的快速磨损、破损失效已成为严重制约难加工材料高速切削技术发展的最主要原因。随着我国航空航天、国防军工、能源、化工、汽车等重要行业对这些难加工材料需求的不断增加,以及对这些材料典型零件切削加工的效率、精度要求的不断提高,高速切削刀具的研制开发面临着空前的巨大挑战。 2. 研究目的与意义 本课题旨在通过揭示高速切削刀具的损伤演变过程及刀具磨损、破损失效的热、机械、化学综合机制,研究刀具材料微观结构与宏观性能的关系,提出基于性能驱动的高速切削刀具设计制造理论和方法,以高刀具寿命为目标,进行刀具材料性能的“最优配置”,优化刀具材料微观结构、刀具材料组分配比及制备工艺参数,不仅有利于提高难加工材料的加工效率、刀具寿命及刀具“专用化”程度,还为新型刀具的开发提供了新原理、新方法,具有重要的理论和实际意义。 3. 主要论点与论据 （1）高速切削刀具失效机理为热－机械复合疲劳作用,以及粘结磨损和磨粒磨损。计算结果表明,当量损伤应力具有与锯齿状切屑形成周期一致的波动特征,证明了刀具失效的热－机械复合疲劳作用机理。 （2）所研制刀具寿命高的原因是具有协同强韧化机制。所研制的梯度纳米复合陶瓷刀具具有较高的”自砺性“,即是协同强韧化机制的具体体现。 4. 创见与创新 （1）提出了热－机械复合损伤概念及当量损伤应力计算方法,发现了高速切削刀具损伤的时－空分布规律,揭示了刀具损伤累积演变及失效机理,为高速切削刀具的设计提供了理论依据; （2）考虑复合刀具材料各组成相含量、粒径、分布的随机特性,开发了复合刀具材料微观结构参数化重构软件,建立了基于性能驱动的高速切削刀具设计理论及方法,为切削刀具的设计开发提供了新原理、新方法; （3）通过刀具材料烧结致密化过程的元胞自动机模拟,优化了刀具材料烧结制备工艺参数,为刀具制造提供了工艺保障; （4）应用所研制的刀具,对镍基合金、钛合金等难加工材料的高速加工进行了企业生产验证,使切削效率显著提高。 5. 社会经济效益,存在的问题 本项目得到3项国家自然科学基金项目资助,发表论文80余篇,所发表论文被SCI收录48篇、EI收录25篇、他引820篇次（其中SCI他引491篇次）,具有一定的国际影响力,并受邀参与撰写并出版国际专著1部。 问题：刀具材料微观结构模型是二维的,导致刀具材料力学性能预报精度不够高。 6. 历年获奖情况 无。