淬硬鋼高速銑削過程仿真與實驗研究.pdf

1、本文針對淬硬鋼高速銑削過程中的鋸齒狀切屑如何形成，切削參數(shù)對切削力、切削溫度以及應力-應變等特征物理量的影響，對刀具磨損嚴重、刀具選擇缺乏理論指導等問題進行深入的理論與實驗研究。以淬硬鋼高速銑削加工實驗為基礎，更大范圍地研究了淬硬鋼高速銑削過程中鋸齒狀切屑的形成條件以及鋸齒狀切屑形變帶與轉變帶的特征；采用了高速沖擊壓縮實驗( SHPB)及材料的微觀研究方法研究了淬硬鋼材料在高溫、高應變條件下的力學行為及微觀組織等特征，構建了適合高速切削

2、條件下材料具有高溫、高應變、高應變率的“三高”流動應力材料本構模型；采用有限元法建立了淬硬鋼高速銑削過程的2-D有限元模型，研究了淬硬鋼高速銑削過程中第一、二、三變形區(qū)的應力場、應變場、溫度場、應變率場等特征物理量進行了預測，揭示在高速切削中淬硬鋼材料難加工的本質；在2-D有限元模型的基礎上，拓展研究了淬硬鋼3-D切削的有限元模型，分析了淬硬鋼高速銑削過程中第一、二、三變形區(qū)的不均勻應力場、應變場、溫度場、應變率場等特征，揭示在高速切削

3、中淬硬鋼材料的磨損與破損機理；模擬研究了淬硬鋼薄壁結構件在高速銑削過程中應力-應變的變化規(guī)律，揭示了薄壁件高速銑削過程中讓刀變形的本質，同時也研究了淬硬鋼斜面結構件因路徑引起的不均勻應力-應變、溫度場變化規(guī)律，提出了高速銑削斜面結構件路徑優(yōu)化策略。這些研究對深入了解淬硬鋼高速銑削過程，推動高速切削基礎理論的發(fā)展，提高淬硬鋼高速銑削技術的應用水平都具有重要意義。
　　 本文主要研究結論如下：
　　 (1)在淬硬鋼高速銑削過

4、程基本物理量方面，通過高速攝影與材料微觀研究方法研究了淬硬鋼高速銑削過程中切屑流的形成過程，帶狀切屑與鋸齒狀切屑形成條件、切屑的微觀特征以及不同切削參數(shù)對切削力的影響，明確了高速銑削過程的邊界條件。研究結果表明切削速度越大，切削力減小，切屑由帶狀切屑向形變帶鋸齒狀及轉變帶鋸齒狀切屑轉變，剪切帶中心區(qū)域越窄，約2-8um，剪切帶兩邊的組織更加細??；淬硬鋼的硬度越高，切屑形態(tài)由帶狀轉變?yōu)殇忼X狀的臨界切削速度越低，淬硬鋼硬度為62 HRC時，

5、產(chǎn)生鋸齒狀切屑臨界速度是100 m/min，切屑底部即第二變形區(qū)域呈現(xiàn)一條光亮的白層，約幾個微米，切屑基體的平均顯微硬度為732.4 HV。淬硬鋼硬度為51 HRC時，形成鋸齒狀切屑臨界速度是200 m/min，鋸齒形狀不明顯，剪切帶的顯微硬度分別為573.7HV，基體的顯微硬度為555.1HV。切削速度與材料的硬度是影響這一過程主要因素。
　　 (2)在淬硬鋼材料本構方程建立方面，通過高速沖擊壓縮實驗(SHPB)首次研究了淬硬

6、鋼SKDlI在高溫、高應變率以及準靜態(tài)條件下的應力-應變關系，構建了淬硬鋼具有高溫、高應變、高應變率的材料本構模型。研究結果表明隨著應變的增加，材料的流動應力迅速升高，當材料在屈服以后，進入穩(wěn)態(tài)增長狀態(tài)，變形結束后，迅速卸載；在溫度小于600℃，應變強化效應顯著，材料在屈服以后，其應力-應變曲線基本上與應變軸平行，應變強化減弱：當溫度大于600℃時，流動應力會隨著應變速率的增加而減小，材料的熱軟化效應起到了重要的作用；根據(jù)一維應力波理論

7、與單因素迭代的方法擬合適合“三高”應力流的材料本構模型，建立了淬硬鋼低溫負應變率效應、高溫軟化效應的修正Johnson-Cook模型。與未進行修正的相比，其精度提高了102％左右。
　　 (3)在淬硬鋼材料微觀研究方面，利用XRD物相分析、金相顯微分析與SEM形貌分析等材料微觀研究手段，首次研究了淬硬鋼材料在低溫、低應變率時，其表面的相組成主要有：Fe-Cr合金、Cr7C3. Fe等，且表面有眾多微裂紋；高溫高應變時，其表面的相

8、組成主要有：Fe-Cr合金、FeCrO4、 Fe2O3等；在低溫、高應變率的作用下，試樣的表面有明顯的微裂紋，這是由于材料脆性斷裂的結果；在高溫高應變率的作用下，試樣的表面未見細小的微裂紋，而是在試樣的心部發(fā)生剪切與斷裂，這與高速銑削過程中切削速度為300m/min的絕緣剪切行為相類似，進一步證實了淬硬鋼材料具有低溫負應變率效應、高溫軟化效應的特性。
　　 (4)在淬硬鋼高速銑削過程2-D數(shù)值模擬方面，采用有限元法首次研究了淬硬

9、鋼在不同切削速度下的切屑形成過程、應力.應變分布以及溫度的梯度分布情況，并對材料硬度、不同切削參數(shù)、摩擦系數(shù)、刀具前角對第一、二、三變形區(qū)的應力。應變、應變率以及溫度場進行預測，揭示了高速切削中淬硬鋼材料難加工的本質。研究結果表明材料的硬度越高，材料在切削區(qū)域內的有效應力越大，應變減小，變形越困難，切削溫度越高。對HRC62淬硬鋼，其最大的等效應力為3670MPa，等效應變達3.76，切削溫度達1207℃；切削的速度越高，應力-應變的等

10、值線越密，拉應力增大，切削溫度升高，約為1230℃：摩擦系數(shù)增大時，剪切區(qū)內應力越大，變形越明顯，應力-應變的等值線越密，切削溫度明顯的增加；刀具前角增大，剪切區(qū)應力-應變的等值線變得稀疏，拉應力增大，切屑的分離趨勢增強，淬硬鋼材料的變形不明顯，切削溫度減小。
　　 (5)在淬硬鋼高速銑削過程3-D數(shù)值模擬方面，在2-D有限元模型的基礎上，拓展研究了淬硬鋼3-D切削的有限元模型，對高速銑削過程切屑的形成、應力-應變、應變率以及熱

11、-力耦合的溫度場進行相關預測，揭示了高速切削中淬硬鋼材料刀具磨損與破損的本質。研究結果表明淬硬鋼材料的硬度越高，發(fā)生破壞的變形越困難，在切削區(qū)域內應力、應變及切削溫度均增大。在剪切區(qū)內有效應力的等值線相對較密，其最大值為3380MPa，最大有效應變率為8.99×105s-1，切削溫度為1163℃。在第二形區(qū)應變等值線較密，最大有效應力在2900-3380MPa內波動，對刀刃沖擊較大，磨損嚴重。
　　 (6)在典型薄壁結構件與斜面