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(guò)程中，切削力和切削熱會(huì)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(duì)工件抗疲勞性能產(chǎn)生重要的影響。因此，開(kāi)展高強(qiáng)度合金切削加工過(guò)程中切削力和切削熱等熱力作用的研究，揭示切削過(guò)程中刀具和工件溫度場(chǎng)分布和應(yīng)變場(chǎng)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(duì)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(dòng)機(jī)零部件制造中被廣泛使用，本文針對(duì)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(kāi)展了切削加工過(guò)程中切削力、切削溫度場(chǎng)和加工工件塑性應(yīng)變場(chǎng)的分布規(guī)律和特征研究，同時(shí)對(duì)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(guò)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(kāi)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(cè)力方法為核心的磨削力與磨削溫度試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)，以及以半人工熱電偶法和壓電效應(yīng)測(cè)力方法為核心的銑削溫度和銑削力測(cè)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(shì)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(cè)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(cè)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(duì)開(kāi)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(tái)的高強(qiáng)度合金材料本構(gòu)關(guān)系測(cè)量試驗(yàn)方案，并對(duì)4種高強(qiáng)度合金的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)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(dòng)塑性本構(gòu)方程，并進(jìn)一步建立了對(duì)應(yīng)的動(dòng)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(guò)程中，開(kāi)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(duì)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(kāi)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(guò)程中切削力和切削溫度、包括工件形成表面的溫度場(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)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(chǎng)和應(yīng)變場(chǎng)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(duì)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(duì)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(cè)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(chǎng)和塑性應(yīng)變場(chǎng)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(duì)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(duì)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(duì)工件的機(jī)械作用，并形成了壓應(yīng)力，但對(duì)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(shì)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