非晶合金带材剪切加工及刀具磨损研究

作     者：郭晓辉 

作者单位：广东工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：阎秋生;严杰文

授予年度：2021年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：非晶合金带材 滚剪加工 剪切质量 刀具磨损 有限元仿真 

摘      要：非晶合金具有优异的物理机械性能,其高强度、高硬度、高断裂韧性和疲劳强度等而被作为工具材料和体育用品材料;其磁性能远优于硅钢,从而被广泛应用于变电器、互感器、电感器等电力设备和电子器件。制作铁芯的非晶合金薄带在实际应用中需要通过滚剪加工制成特定宽度的条带,由于其硬度高、强度大、厚度薄、应力敏感等材料特性,使得加工表面完整性差、刀具磨损快,严重影响材料性能的发挥。本文以铁基非晶合金带材为研究对象,首先开展基础材料实验分析其物理机械性能,通过电子万能试验机对其进行拉伸实验获得带材断裂过程的位移载荷曲线。分析了铁基非晶合金带材滚剪加工过程,建立了滚剪加工过程的刀具和带材受力模型,研究了剪切过程受力状态及其分布特征,非晶合金滚剪加工刀具受力主要包括两个方面,一是滚剪刀圆柱面受到与带材接触及下压产生的正压力,二是滚剪刀刃口切入带材后滚剪刀侧面与形成带材剪切断面的划擦作用力。加工中随着滚剪刀的不断磨损,刀具刃口半径与带材厚度之比变大,滚剪刀刃口受力状态发生非线性变化,从而而呈现复杂受力状态。其次,研究了非晶合金带材滚剪加工的刀具磨损及其影响,滚剪刀磨损表现为以机械磨损为主的正常磨损和刀刃几何接触打刀的非正常磨损,正常磨损过程是形成侧面滑擦磨损带并且刃口半径持续增大,由初始10μm增大到30μm,刀具经历从初期磨损、稳定磨损、剧烈磨损三个阶段;滚剪刀非正常磨损形式主要有切削刃卷边、局部剥落和崩刃等。非晶合金带材的剪切断面形貌特征与刀具磨损状态有直接关联性,刀具刃口圆弧的存在会在加工后的带材剪切断面附件表面残留一定宽度的微裂纹区域,断口表面不平整且存在细小毛刺;刀具刃口半径增大,带材剪切断面附近所残留微裂纹区域宽度和毛刺高度同步增加,剪切加工过程稳定性变差,当刃口半径与带材厚度比k值大于1后,剪切断面附近残留表面微裂纹宽度急剧增加,加工过程趋向不稳定。最后,基于铁基非晶合金带材的滚剪加工实验,通过abaqus仿真分析滚剪加工过程中带材应力应变状态,发现构成剪切断面的结构要素塌角、剪切断裂带和毛刺等与所受应力状态的关联性,对比分析不同刃口半径刀具的剪切过程,刀具刃口半径越大剪切区材料的最大剪切力越大、剪切断面形貌质量越差;成对滚剪刀在剪切断面附近形成应力集中区域,随着刀具刃口半径增大,刀具作用应力应变影响区域增大,因此剪切断面附近表面残留微裂纹区域变宽、塌角变大。刀具刃口半径对剪切应力值和作用区域有决定性影响,刀具刃口半径越大,其所受到的应力作用范围越大,零刃口半径(0μm)刀具刃口受到集中的应力作用,刃口半径10μm刀具刃口受到的应力集中度减小,刃口半径30μm的刀具刃口受到的应力范围大幅增加。