氧化物陶瓷刀具与仿真切削PDF电子书下载

1 陶瓷刀具材料发展概况 1

1.1 陶瓷刀具的种类及发展状况 1

1.1.1 Al2O3－碳化物陶瓷刀具 1

1.1.2 Al2O3－碳化物－金属陶瓷刀具 2

1.1.3 添加氮化物、硼化物的Al2O3陶瓷刀具 2

1.1.4 增韧的Al2O3陶瓷刀具 2

1.1.5 添加锰钛的ZrO2增韧Al2O3陶瓷刀具 3

1.1.6 Al2O3－金属－氮化物陶瓷刀具 3

1.1.7 Si3N4系陶瓷刀具 3

1.1.8 Sialon陶瓷刀具 3

1.1.9 梯度复相陶瓷刀具 4

1.1.10 有机改性陶瓷刀具 4

1.1.11 CBN-TiN复合陶瓷刀具 4

1.1.12 Fe3Al(FeAl)/Al2O3陶瓷基复合刀具 5

1.1.13 TiB2复合陶瓷刀具材料 5

1.1.14 涂层刀具材料 5

1.2 陶瓷刀具材料的增韧机理 6

1.2.1 颗粒弥散增韧补强机理 6

1.2.2 纤维增韧机理 7

1.2.3 应力诱导相变增韧 7

1.2.4 显微裂纹增韧 8

1.2.5 残余应力增韧 8

1.2.6 相变增韧机理 9

1.2.7 协同增韧机理 9

1.3 先进陶瓷刀具的应用 10

1.3.1 复合Si3N4陶瓷刀具的应用 10

1.3.2 复合TiCN金属陶瓷刀具的应用 11

1.4 国外陶瓷刀具的应用 11

1.4.1 氧化物陶瓷类 12

1.4.2 混合陶瓷类 12

1.4.3 赛隆陶瓷类 12

1.5 先进陶瓷刀具发展趋势 13

2 氧化物陶瓷刀具材料类型及性能 15

2.1 氧化铝和氧化锆材料特性 15

2.2 氧化锆增韧陶瓷的性能及结构 16

2.2.1 ZrO2的晶体结构特征 16

2.2.2 ZrO2的稳定化及二元相平衡 18

2.2.3 四方（t）-ZrO2到单斜（m）-ZrO2的相变特征 20

2.3 ZrO2增韧陶瓷的种类及增韧原理 21

2.3.1 四方多晶氧化锆增韧陶瓷（TZP） 21

2.3.2 部分稳定氧化锆增韧陶瓷（PSZ） 21

2.3.3 弥散四方多晶氧化锆增韧陶瓷（TZC） 22

2.3.4 氧化锆陶瓷的增韧原理 22

2.4 氧化锆陶瓷的晶粒尺寸与增韧机制 25

2.4.1 冷却过程t→m相变的临界晶粒尺寸 25

2.4.2 应力诱导下t→m相变的临界粒径 26

2.4.3 t→m相变诱发微裂纹的临界直径 26

2.5 氧化锆陶瓷发展过程存在的不足 27

2.6 氧化锆增韧Al2O3陶瓷的研究概况 28

2.6.1 弥散未稳定ZrO2的ZTA陶瓷 29

2.6.2 含（弥散）部分稳定ZrO2的ZTA陶瓷 29

2.6.3 混合结构的ZTA陶瓷 32

2.6.4 ZTA共晶体陶瓷 32

2.7 ZTA陶瓷存在的不足及发展方向 32

3 氧化物陶瓷刀具材料制备方法 35

3.1 陶瓷刀具材料的发展过程 35

3.2 陶瓷刀具材料研究的现状 37

3.3 陶瓷刀具的制造方法 39

3.4 陶瓷刀具的切削性能 41

3.4.1 陶瓷刀具的切削磨损机理 41

3.4.2 陶瓷刀具的磨损形态 42

3.5 氧化物陶瓷刀具材料的制备 45

3.5.1 粉体制备 45

3.5.2 复合粉体制备 47

3.5.3 真空烧结工艺 47

3.6 陶瓷刀具材料力学性能测试 47

3.6.1 线收缩率及相对密度 47

3.6.2 维氏硬度测试方法 49

3.6.3 抗弯强度及断裂韧性 51

3.6.4 提高断裂韧性测量精度的方法 53

3.6.5 抗热震性能 55

3.6.6 力学性能数据分析 55

3.7 陶瓷刀具材料的微观组织及相分析 55

3.7.1 扫描电镜（SEM）观察试样表面和断口形貌 55

3.7.2 相组成计算 55

3.8 陶瓷刀具材料的切削性能试验方法 56

3.8.1 切削试验方法 56

3.8.2 切削用量及耐用度 57

3.8.3 切削用量的选择及对耐用度的影响 57

3.8.4 进给量的选定 59

4 Al2O3/ZrO2(3Y)刀具材料烧结致密化与显微组织 60

4.1 Al2O3/ZrO2(Y2O3)刀具材料的烧结致密化 60

4.1.1 ZrO2含量和烧结温度对致密化的作用 60

4.1.2 ZrO2中Y2O3含量对烧结致密化的作用 61

4.1.3 能谱分析Al2O3与ZrO2(Y2O3)的作用机制 63

4.2 A12O3/ZrO2(Y2O3)刀具材料的显微组织 64

4.2.1 Al2O3的显微组织 64

4.2.2 烧结温度对Al2O3/ZrO2刀具材料显微组织影响 64

4.3 ZrO2含量对Al2O3/ZrO2刀具材料显微组织影响 71

4.3.1 ZrO2(2Y)含量对晶粒尺寸影响 71

4.3.2 ZrO2(3Y)含量对晶粒尺寸影响 72

4.3.3 ZrO2(Y2O3)含量与晶粒尺寸的关系 72

4.4 ZrO2含量对A12O3/ZrO2刀具材料断口组织形貌影响 74

4.4.1 A12O3/ZrO2(2Y)的断口组织形貌 74

4.4.2 Al2O3/ZrO2(3Y)的断口组织形貌 76

5 Al2O3/ZrO2(Y2O3)刀具材料力学性能及强韧化机理 78

5.1 Al2O3/ZrO2(Y2O3)刀具材料的力学性能 78

5.1.1 烧结温度对A12O3/ZrO2刀具材料抗弯强度影响 78

5.1.2 ZrO2含量对Al2O3/ZrO2刀具材料断裂韧性影响 78

5.2 ZrO2中Y2O3含量对Al2O3/ZrO2刀具材料力学性能影响 80

5.2.1 影响刀具材料强度和韧性的主要因素 80

5.2.2 ZrO2(Y2O3)含量对刀具材料硬度的影响 81

5.2.3 ZrO2中Y2O3含量对刀具材料强度和韧性的影响 82

5.3 Al2O3和Al2O3/ZrO2(Y2O3)刀具材料的可靠性分析 83

5.4 Al2O3/ZrO2(Y2O3)刀具材料的强韧化与相变行为 86

5.4.1 ZrO2(Y2O3)在Al2O3基体中的相变条件及晶粒尺寸影响 86

5.4.2 ZrO2(Y2O3)含量对相变增韧机制的作用 89

5.4.3 ZrO2(2Y)含量对应力诱导相变增韧的影响 89

5.4.4 ZrO2(3Y)含量对应力诱导相变增韧的影响 91

5.5 其他增韧机制 93

6 Al2O3/ZrO2(Y2O3)刀具材料的抗热震性能 97

6.1 刀具材料的热震损伤行为 97

6.1.1 刀具材料的热震残留强度 97

6.1.2 刀具材料的热震断口形态 98

6.2 刀具材料抗热震因子及断裂功计算 102

7 仿真技术在切削加工中的应用 105

7.1 仿真技术在切削中应用基础 105

7.1.1 仿真技术的发展 105

7.1.2 仿真技术在切削中研究现状 106

7.1.3 仿真分析选择 108

7.2 数值模拟方法 108

7.2.1 有限差分法 108

7.2.2 有限元法 109

7.2.3 拉格朗日法 109

7.2.4 欧拉法 110

7.2.5 模拟切削方法对比 110

7.3 Deform2D简介 110

7.3.1 Deform2D的模块结构 111

7.3.2 Deform2D的主要功能 111

7.4 金属切削变形及有限元的基本理论 112

7.4.1 金属切削层的变化规律 112

7.4.2 刀面与刀尖和已加工表面间的挤压与摩擦 113

7.4.3 切屑变形的变化规律 115

7.4.4 加工变形与传热问题的基本理论 115

7.4.5 热力耦合分析方法 117

7.4.6 热力耦合控制方程 118

8 构建Al2O3/ZrO2(Y2O3)刀具与加工材料的切削模型 119

8.1 干式切削加工热力耦合分析过程 119

8.1.1 三维到二维切削模型的转化 120

8.1.2 模拟方法 120

8.1.3 瞬态切削几何模型 122

8.1.4 稳态切削几何模型 124

8.1.5 材料的本构方程 124

8.1.6 接触模型 125

8.1.7 摩擦模型 126

8.1.8 分离准则 127

8.2 基于仿真切削的基本要求及条件 129

8.2.1 刀具的几何参数 129

8.2.2 工件的几何参数 129

8.2.3 有限元模型和边界条件 129

8.2.4 A12O3/ZrO2(Y2O3)陶瓷刀具的物理参数 130

8.2.5 工件材料的选择及物理参数 130

8.2.6 工件的Johnson-Cook模型物理参数 130

8.2.7 仿真模拟过程 131

9 实际半精加工切削1045淬火钢与仿真切削对比 132

9.1 实际半精加工1045淬火钢的切削性能及耐用度 132

9.1.1 陶瓷刀具切削1045淬火钢的实际意义 132

9.1.2 氧化物陶瓷刀具的性能特点 132

9.1.3 合理的选择陶瓷刀片几何形状及参数 133

9.1.4 陶瓷刀具负倒棱在切削中的作用机理 134

9.1.5 A12O3/ZrO2(Y2O3)陶瓷刀具切削的耐磨性能 137

9.1.6 陶瓷刀具的失效形式和磨损机理 138

9.1.7 一元线性回归对Al2O3/ZrO2(3Y)陶瓷刀具耐用度的评价 141

9.2 基于1045淬火钢半精加工仿真切削及稳态温度场和应力场 144

9.2.1 半精加工仿真参数选取 144

9.2.2 1045淬火钢半精加工的瞬态仿真切削 146

9.2.3 仿真切削过程中的切屑形成 146

9.2.4 1045淬火钢半精加工稳态仿真切削 148

9.2.5 不同切削速度下1045淬火钢半精加工的稳态温度场 148

9.2.6 不同切削速度下1045淬火钢半精加工的稳态应力场 150

9.2.7 不同进给量下1045淬火钢半精加工的稳态温度场和应力场 151

9.2.8 不同切削用量对刀刃处应力梯度、温度梯度影响 154

10 基于1045淬火钢粗、精加工的仿真切削 156

10.1 基于1045淬火钢粗加工仿真切削及稳态温度场和应力场 156

10.1.1 粗加工仿真切削参数选取 156

10.1.2 不同切削速度下1045淬火钢粗加工的稳态温度场 157

10.1.3 不同切削速度下1045淬火钢粗加工的稳态应力场 159

10.1.4 不同进给量下1045淬火钢粗加工的稳态温度场和应力场 161

10.1.5 不同切削用量对刀刃处应力梯度、温度梯度影响 164

10.2 基于1045淬火钢精加工仿真切削及稳态温度场和应力场 166

10.2.1 精加工仿真切削参数选取 166

10.2.2 不同切削速度下1045淬火钢精加工的稳态温度场 167

10.2.3 不同切削速度下1045淬火钢精加工的稳态应力场 169

10.2.4 不同进给量下1045淬火钢精加工的稳态温度场和应力场 171

10.2.5 不同切削用量对刀刃处应力梯度、温度梯度影响 174

11 基于H13模具钢粗、半精、精加工的仿真切削 177

11.1 H13模具钢粗加工的仿真切削及稳态温度场和应力场 177

11.1.1 粗加工仿真切削参数选取 177

11.1.2 不同切削速度下H13模具钢粗加工的稳态温度场 178

11.1.3 不同切削速度下H13模具钢粗加工的稳态应力场 180

11.1.4 不同进给量下H13模具钢粗加工的稳态温度场和应力场 182

11.1.5 不同切削用量对刀刃处应力梯度、温度梯度影响 186

11.2 H13模具钢半精加工仿真切削及稳态温度场和应力场 187

11.2.1 半精加工仿真切削参数选取 187

11.2.2 不同切削速度下H13模具钢半精加工的稳态温度场 187

11.2.3 不同切削速度下H13模具钢半精加工的稳态应力场 190

11.2.4 不同进给量下H13模具钢半精加工的稳态温度场和应力场 192

11.2.5 不同切削用量对刀刃处应力梯度、温度梯度影响 195

11.3 H13模具钢精加工仿真切削及稳态温度场和应力场 197

11.3.1 精加工仿真切削参数选取 197

11.3.2 不同切削速度下H13模具钢精加工的稳态温度场 198

11.3.3 不同切削速度下H13模具钢精加工的稳态应力场 201

11.3.4 不同进给量下H13模具钢精加工的稳态温度场和应力场 203

11.3.5 不同切削用量对刀刃处应力梯度、温度梯度影响 206

12 氧化物陶瓷刀具仿真切削的应用与展望 208

12.1 仿真切削模型的构建与优选切削参数 208

12.2 建立数字化陶瓷刀具库的展望 209

附录 210

附表1 常用材料特性表 210

附表2 各国常用金属材料对照表 212

附表3 硬度对照表 215

中英文词汇对照表 220

索引 225

参考文献 229