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陶瓷刀具超高速铣削镍基高温合金刀具失效机理研究
摘要：
本论文对陶瓷刀具超高速铣削镍基高温合金刀具失效机理进行了研究。通过对合金表面断裂形貌、材料显微组织、残余应力等进行分析得出，刀具失效主要是因为表面疲劳裂纹的扩展导致的，其扩展主要受到残余应力的影响。进一步分析表明，铣削参数、刀具设计、材料选择等因素会直接影响刀具的寿命和失效机理。基于以上研究，提出了一些改善刀具寿命和失效机理的措施，如针对不同材料分析选用合适的铣削参数、合理的刀具几何设计，可以有效延长刀具寿命。
关键字：陶瓷刀具；超高速铣削；镍基高温合金；表面疲劳裂纹；残余应力
Abstract:
Thispaperstudiedthefailuremechanismofceramiccuttingtoolsinhigh-speedmillingofnickel-basedhigh-temperaturealloys.Throughtheanalysisofthesurfacefracturemorphology,materialmicrostructure,residualstress,etc.,itisconcludedthatthefailureofthecuttingtoolsismainlycausedbytheexpansionofsurfacefatiguecracks,whichismainlyaffectedbyresidualstress.Furtheranalysisshowsthatmillingparameters,tooldesign,materialselectionandotherfactorsdirectlyaffectthelifeandfailuremechanismofthecuttingtool.Basedontheaboveresearch,somemeasurestoimprovethelifeandfailuremechanismofthecuttingtoolareproposed,suchasanalyzingandselectingsuitablemillingparametersfordifferentmaterials,andreasonabletoolgeometrydesign,whichcaneffectivelyextendthelifeofthecuttingtool.
Keywords:ceramiccuttingtools;high-speedmilling;nickel-basedhigh-temperaturealloys;surfacefatiguecracks;residualstress
1.引言
镍基高温合金具有重量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀等优点，在航空、汽车、能源等领域得到了广泛的应用。但是，由于其难加工性和高硬度，传统的钢铁切削工具很难承受其高速铣削，容易造成刀具断裂、失效等问题。而陶瓷刀具以其极高的硬度、耐磨、耐高温、抗化学侵蚀等性能，成为处理高硬度材料的首选切削工具。
然而，陶瓷刀具在应用过程中仍存在一些难题，如易破损、易磨损、容易产生表面疲劳裂纹等。这些问题直接关系到陶瓷刀具的寿命和效率。因此，对于陶瓷刀具超高速铣削镍基高温合金刀具失效机理的研究，具有重要的理论价值和实际意义。
2.实验方法
2.1实验设备
本研究使用的实验设备主要包括：
1）DZFM-2型光学显微镜；
2）ZEISSSUPRA55VP扫描电子显微镜；
3）RIGAKUSMARTAPEX-IIX射线衍射仪；
4）万能试验机等。
2.2实验材料
本研究所使用的合金为Inconel718镍基高温合金，刀具为固体陶瓷刀具。
2.3实验过程
首先，选择合适的切削参数，包括转速、进给量和切削深度。然后，进行高速铣削实验，得到切削力、刀具温度等数据。最后，对铣削后的合金和陶瓷刀具进行表面形貌、材料显微组织、残余应力等方面的分析。
3.实验结果
3.1合金表面裂纹分析
通过对合金表面断裂形貌的观察，发现合金表面存在大量的裂纹，裂纹的形态呈现出疲劳裂纹的特征。其中，表面疲劳裂纹是主要的失效形式。
3.2材料显微组织分析
经光学显微镜观察，合金材料显微组织呈现出均匀细致的晶粒结构，晶粒界清晰明显，分布均匀。但是，在铣削过程中晶粒破坏、热膨胀等因素会引起局部残余应力的产生，从而影响切削区域的疲劳寿命。
3.3残余应力分析
利用X射线衍射仪，对样品进行非损伤性残余应力测试。结果显示，铣削后的合金表面产生了大量的残余应力，其大小和分布与切削参数、刀具设计、材料等因素有关。这些残余应力会在切削过程中产生裂纹，从而影响刀具寿命。
4.讨论
根据实验结果，可以得出以下讨论：
4.1切削参数的选择
合适的切削参数可以有效地控制刀具的疲劳寿命。