高強(qiáng)度合金切削加工熱力作用的數(shù)值仿真與試驗(yàn)研究.pdf

1、在高強(qiáng)度合金的切削加工過程中，切削力和切削熱會導(dǎo)致加工工件表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力和塑性變形，進(jìn)而引發(fā)組織相變，從而對工件抗疲勞性能產(chǎn)生重要的影響。因此，開展高強(qiáng)度合金切削加工過程中切削力和切削熱等熱力作用的研究，揭示切削過程中刀具和工件溫度場分布和應(yīng)變場分布的特征及規(guī)律，一直是高強(qiáng)度合金切削加工抗疲勞研究的重要基礎(chǔ)工作，亦是加工工件殘余應(yīng)力和顯微硬度等性能分析的基礎(chǔ)，對于提高加工工件抗疲勞能力具有重要的意義。作為航空工業(yè)制造領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的高

2、強(qiáng)度合金代表，Ti1023鈦合金、7055鋁合金、AerMet100超高強(qiáng)度鋼和GH4169高溫合金在飛行器結(jié)構(gòu)件和發(fā)動機(jī)零部件制造中被廣泛使用，本文針對這4種高強(qiáng)度合金及其主要切削加工工藝，即Ti1023鈦合金和7055鋁合金端面銑削加工、GH4169高溫合金和AerMet100超高強(qiáng)度鋼磨削加工，采用數(shù)值仿真和試驗(yàn)研究的方法，開展了切削加工過程中切削力、切削溫度場和加工工件塑性應(yīng)變場的分布規(guī)律和特征研究，同時對切削熱力作用與表面層殘

3、余應(yīng)力和顯微硬度之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系進(jìn)行了研究，力圖通過理論與試驗(yàn)分析探索研究高強(qiáng)度合金切削加工的熱力作用及其影響規(guī)律。
　　本文首先開展了4種高強(qiáng)度合金在若干切削加工工藝條件下的切削力和切削溫度試驗(yàn)研究。論文搭建了以半人工熱電偶法和半橋電路測力方法為核心的磨削力與磨削溫度試驗(yàn)測量系統(tǒng)，以及以半人工熱電偶法和壓電效應(yīng)測力方法為核心的銑削溫度和銑削力測量試驗(yàn)系統(tǒng)；實(shí)施了相關(guān)高強(qiáng)度合金與康銅構(gòu)成的非標(biāo)熱電偶標(biāo)定試驗(yàn)，獲得了熱電偶的熱電勢與溫

4、度的關(guān)聯(lián)關(guān)系；實(shí)施7055鋁合金和Ti1023鈦合金的銑削力和銑削溫度測量試驗(yàn)以及GH4169高溫合金和AerMet100超高強(qiáng)度鋼的磨削溫度和磨削力測量試驗(yàn)，獲得并分析了切削溫度和切削力與加工工藝參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)規(guī)律。
　　其后針對開展高強(qiáng)度合金切削加工數(shù)值仿真的需要，設(shè)計(jì)了以Gleeble熱模擬試驗(yàn)機(jī)和SHPB試驗(yàn)裝置為試驗(yàn)平臺的高強(qiáng)度合金材料本構(gòu)關(guān)系測量試驗(yàn)方案，并對4種高強(qiáng)度合金的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)測定。依據(jù)試驗(yàn)工作提出了4

5、種高強(qiáng)度合金的切削域動塑性本構(gòu)方程，并進(jìn)一步建立了對應(yīng)的動塑性本構(gòu)模型。
　　在上述工作的基礎(chǔ)上，建立了應(yīng)用于Ti1023鈦合金和7055鋁合金端面銑削加工的熱力耦合數(shù)值仿真模型，以及應(yīng)用于AerMet100超高強(qiáng)度鋼和GH4169高溫合金磨削加工的熱力耦合數(shù)值仿真模型。在數(shù)值仿真模型的建立過程中，開展了諸如切削加工中摩擦模型建立、切屑/刀具的接觸換熱分析、工件/加工環(huán)境的對流換熱分析、切削分離準(zhǔn)則確定、以及磨削能傳入工件比例確定

6、等基礎(chǔ)工作，使得建立的高強(qiáng)度合金切削加工熱力耦合數(shù)值仿真模型更為符合實(shí)際。
　　基于建立的高強(qiáng)度合金切削加工熱力耦合數(shù)值仿真模型，論文開展了Ti1023鈦合金和7055鋁合金的端銑加工熱力耦合數(shù)值仿真分析，以及GH4169高溫合金和AerMet100超高強(qiáng)度鋼的磨削加工熱力耦合數(shù)值仿真分析，獲得并分析了切削加工過程中切削力和切削溫度、包括工件形成表面的溫度場和應(yīng)變場與切削工藝參數(shù)的關(guān)系，分析了切削力和切削溫度與切削工藝參數(shù)的相關(guān)規(guī)

7、律，以及切削加工中工件切削溫度場和應(yīng)變場分布特征。在這一部分工作中，論文還將高強(qiáng)度合金切削加工的試驗(yàn)結(jié)果與熱力耦合數(shù)值仿真分析結(jié)果進(jìn)行了對比，以期驗(yàn)證建立的高強(qiáng)度合金切削加工熱力耦合數(shù)值仿真模型以及基于此的相關(guān)數(shù)值仿真模擬的正確性。
　　最后，對高強(qiáng)度合金加工表面層殘余應(yīng)力和顯微硬度進(jìn)行了試驗(yàn)測量，結(jié)合切削加工熱力耦合數(shù)值仿真結(jié)果，研究了工件表面層殘余應(yīng)力和顯微硬度與切削溫度場和塑性應(yīng)變場之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。
　　本文的研究工作

8、表明，加工工藝參數(shù)對高強(qiáng)度合金切削力和切削溫度等熱力作用參數(shù)的影響是存在的，但對于不同的合金材料和加工工藝，加工工藝參數(shù)的影響程度是不一樣的。影響Ti1023鈦合金和7055鋁合金銑削力和銑削溫度程度最大的工藝參數(shù)分別是銑削速度和銑削深度，而影響GH4169高溫合金和AerMet100超高強(qiáng)度鋼磨削力和磨削溫度程度最大的工藝參數(shù)都是磨削深度。此外，Ti1023鈦合金銑削溫度比7055鋁合金銑削溫度高很多，且刀具最高溫度位置比7055鋁合

9、金更靠近刀尖；AerMet100超高強(qiáng)度鋼和GH4169高溫合金的磨削加工中，GH4169高溫合金工件表面最高溫度也比AerMet100超高強(qiáng)度鋼高出很多。研究表明，高強(qiáng)度合金表面層殘余應(yīng)力形成的主導(dǎo)因素是刀具或磨粒對工件的機(jī)械作用，并形成了壓應(yīng)力，但對于GH4169高溫合金磨削加工，磨削熱則成為表面層殘余應(yīng)力形成的主要因素，且為拉應(yīng)力。加工工件表面層顯微硬度變化趨勢與切削熱、工件塑性變形以及材料自身特性有關(guān)，并導(dǎo)致高強(qiáng)度合金工件表面層