高溫合金GH4169的切削加工性評價(jià)方法和本構(gòu)模型研究.pdf

1、高溫合金GH4169是典型的難加工材料，改善其切削加工性、提高表面加工質(zhì)量是降低其應(yīng)用成本，提高工件服役能力的重要途徑。本文研究了面銑加工GH4169時(shí)的刀具壽命和刀具失效機(jī)理，提出了新的切削加工性評價(jià)方法;研究了面銑加工GH4169時(shí)的切削參數(shù)對加工表面完整性和工件表面三點(diǎn)彎曲疲勞壽命的影響;建立了考慮熱力耦合作用的GH4169材料本構(gòu)模型，進(jìn)行了有限元切削仿真研究;研究了干切削、濕切削和低溫切削GH4169時(shí)的刀具壽命、刀具失效機(jī)理

2、和加工表面完整性。
　　研究了在較大切削速度范圍內(nèi)銑削高溫合金時(shí)的刀具壽命和刀具失效機(jī)理，提出了切削加工性評價(jià)新方法。在高溫合金GH4169的銑削加工中，刀具壽命隨切削速度的增加而急劇降低。當(dāng)切削速度較低時(shí)，刀具失效形式是后刀面磨損，磨損機(jī)理為典型的磨粒磨損。隨著切削速度的增加，刀具失效形式轉(zhuǎn)變?yōu)榈都馄茡p。在中等切削速度下，刀具在機(jī)械沖擊和熱沖擊共同作用下產(chǎn)生裂紋、導(dǎo)致崩刃。在較高切削速度時(shí)，熱沖擊是刀具產(chǎn)生裂紋、導(dǎo)致崩刃的主要原

3、因。提出了采用刀具壽命對切削速度的敏感系數(shù)和刀具失效形式由磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槠茡p的臨界切削速度兩個(gè)指標(biāo)評價(jià)工件材料切削加工性的新方法。刀具壽命對切削速度敏感系數(shù)越大，表明該材料的切削加工性越差;刀具失效形式由磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槠茡p的臨界切削速度越低，表明該材料的切削加工性越差。采用此方法評價(jià)了四種高溫合金的切削加工性，其切削加工性由難至易排序?yàn)镚H605＜ GH4169＜ GH4033＜ GH2132。
　　研究了面銑加工GH4169時(shí)的切削參數(shù)

4、對加工表面完整性和工件表面三點(diǎn)彎曲疲勞壽命的影響。在所選切削參數(shù)范圍內(nèi)，切削速度對表面粗糙度影響較小，隨著切削速度的增加，表面粗糙度先減小后增大;隨著每齒進(jìn)給量的增加，表面粗糙度增大。工件表面加工硬化層厚度小于20μm，隨著切削速度和每齒進(jìn)給量的增加，工件表面硬度略有增加。加工表面存在殘余拉應(yīng)力，切削速度對殘余應(yīng)力的影響規(guī)律不明顯，殘余拉應(yīng)力隨著每齒進(jìn)給量的增加而增大。在三點(diǎn)彎曲疲勞壽命實(shí)驗(yàn)中，試樣發(fā)生了多源疲勞斷裂，疲勞裂紋萌生于加工

5、表面。在所選切削參數(shù)范圍內(nèi)，切削速度對工件表面疲勞壽命的影響較小。每齒進(jìn)給量對工件表面疲勞壽命的影響較顯著，隨著每齒進(jìn)給量的增加，工件表面粗糙度增大，因此表面應(yīng)力集中系數(shù)增大，導(dǎo)致工件表面疲勞壽命降低;加工硬化無明顯變化，對加工表面疲勞壽命的影響可以忽略;殘余拉應(yīng)力增大，工件表面疲勞壽命降低，但殘余拉應(yīng)力在疲勞過程中發(fā)生了松弛，降低了殘余應(yīng)力對疲勞壽命的影響程度。
　　建立了考慮熱力耦合作用的GH4169材料本構(gòu)模型，并進(jìn)行了有限

6、元切削仿真研究。通過霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)，在500～800℃溫度范圍和5000～11000s-1應(yīng)變率范圍內(nèi)研究了GH4169的動(dòng)態(tài)力學(xué)性能。結(jié)果表明，材料動(dòng)態(tài)變形中存在應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)和應(yīng)變率軟化效應(yīng)。在不同溫度下，應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)和應(yīng)變率軟化效應(yīng)的臨界溫度不同，應(yīng)變率對力學(xué)性能影響的規(guī)律性不強(qiáng)。不同應(yīng)變率對應(yīng)的溫度熱軟化作用規(guī)律保持不變。建立了高溫高應(yīng)變率下的GH4169材料本構(gòu)模型，通過切削仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該本構(gòu)模型的適用性，其仿真

7、精度高于現(xiàn)有模型。采用本文建立的材料本構(gòu)模型進(jìn)行了正交車削GH4169仿真，研究了刀具刃口半徑對切削力、切削變形區(qū)溫度場和應(yīng)變率場的影響。隨著刀具刃口半徑的增大，刀具對工件材料的剪切去除作用降低，犁耕作用增強(qiáng)，切削力增大;第一變形區(qū)和第三變形區(qū)在刀具刃口附近擴(kuò)展，導(dǎo)致溫度場中高溫區(qū)域擴(kuò)大。
　　研究了干切削、濕切削和低溫切削GH4169時(shí)的刀具壽命、刀具失效機(jī)理和加工表面完整性。在端面車削GH4169中，與干切削相比，濕切削和低溫

8、切削能顯著提高刀具壽命。干切削和濕切削時(shí)刀具失效機(jī)理為磨粒磨損和粘結(jié)磨損，低溫切削時(shí)，切屑流向的改變和切屑上毛刺的產(chǎn)生是導(dǎo)致邊界磨損的主要原因。在面銑削GH4169中，與干切削相比，濕切削和低溫切削能顯著提高刀具壽命，濕切削和低溫切削抑制了擴(kuò)散磨損和氧化磨損，但在低溫切削時(shí)，較大的熱沖擊仍導(dǎo)致熱裂紋。在端面車削GH4169中，與干切削相比，在較低的切削速度下，濕切削和低溫切削得到的加工表面粗糙度較大;在較高的切削速度下，濕切削和低溫切削