重型切削过程中硬质合金刀具损伤行为研究

摘要

重型切削是极端制造的重要组成部分，核电水室封头是其主要零部件，材料为508Ⅲ钢，作为难加工材料具有较高的强度、硬度及塑性，使加工过程中刀具承受较大循环冲击载荷，导致刀具损伤失效问题严重。同时重型加工过程具有切削参数大与加工余量不均等特点，切削力与切削热变化剧烈，加速刀具损伤发生。硬质合金作为刀具主要材料，制备过程中的初始损伤与加工过程中的损伤缺陷将在载荷作用下不断萌生与积累，随着切削时间的增加，刀具材料内部微缺陷逐渐演化形成宏观损伤裂纹，裂纹不断扩展，最终发生刀具损伤断裂。针对以上问题，进行重型切削过程中硬质合金刀具损伤行为研究。
　　首先，主要从水室封头结构、材料以及加工技术等方面对重型切削过程中的加工特性进行分析;分别结合铣削实验与仿真对切削力与切削热进行研究;探讨重型切削过程中载荷特性对损伤的影响，为硬质合金刀具损伤行为的研究提供一定的理论依据。
　　其次，论述损伤力学研究过程与基本理论;进行水室封头铣削加工实验，确定硬质合金刀具损伤失效主要形式;基于损伤理论与硬质合金材料属性进行刀具细微观损伤分析，明确刀具损伤形成与演化过程;并结合有限元仿真对刀具损伤失效形式进行预测分析，进而揭示刀具损伤机理，为硬质合金刀具损伤本构模型的研究起到一定的铺垫作用。
　　再次，概述损伤本构经典模型以及损伤变量基本定理;分析硬质合金微观特性，对材料本构关系进行研究，建立刀硬质合金刀具损伤模型;进行硬质合金霍普金森压杆实验，研究材料动态特性;通过硬质合金高温拉伸实验对材料损伤特性进行讨论，从微细观角度分析温度对材料宏观影响，并采取不同参数对材料损伤变量进行表征，对完善刀具失效机理的研究具有重要意义。
　　最后，分析影响硬质合金刀具损伤行为的主要因素;以降低损伤为目标，对刀具以及切削参数进行优化设计，从而可提高刀具寿命与生产效率，为重型高效切削提供技术支持。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的目的与意义

1．2 国内外研究现状及分析

1．2．1 刀具机械-热载荷特性及失效机理分析

1．2．2 损伤力学及其工程应用研究

1．2．3 材料损伤机理研究

1．2．4 硬质合金微细观结构分析

1．3 本文的课题来源和主要研究内容

1．3．1 课题来源

1．3．2 本文主要研究内容

第2章 重型切削载荷特性分析

2．1 重型切削加工特性

2．2 重型切削水室封头有限元仿真

2．2．1 模拟仿真主要过程

2．2．2 切削力-热载荷仿真结果分析

2．3 重型切削水室封头实验

2．3．1 实验条件

2．3．2 实验与仿真对比分析

2．4 本章小结

第3章 重型切削过程中硬质合金刀具损伤理论分析

3．1 损伤基本理论分析概述

3．1．1 损伤力学研究方法

3．1．2 损伤变量基本定理

3．2 重型切削水室封头刀具损伤失效实验

3．2．1 实验条件

3．2．2 实验结果分析

3．3 硬质合金刀具损伤过程

3．3．1 刀具材料的损伤形成

3．3．2 刀具材料的损伤演化

3．4 硬质合金刀具损伤失效有限元仿真

3．4．1 模拟仿真主要过程

3．4．2 仿真结果分析

3．5 本章小结

第4章 硬质合金刀具损伤模型建立

4．1 经典损伤本构模型应用与分析

4．1．1 金属材料损伤本构模型

4．1．2 脆性材料损伤本构模型

4．2 硬质合金刀具材料损伤本构分析

4．2．1 硬质合金材料损伤特性分析

4．2．2 硬质合金材料损伤变量确定

4．2．3 硬质合金刀具材料损伤本构模型建立

4．3 硬质合金刀具材料损伤动态特性分析

4．3．1 硬质合金材料霍普金森压杆实验

4．3．2 温度对硬质合金材料动态特性的影响

4．4 硬质合金刀具材料损伤变量的表征

4．4．1 硬质合金材料高温拉伸实验

4．4．2 温度对硬质合金材料损伤变量的影响

4．5 本章小结

第5章 基于损伤最小刀具及切削参数的优化

5．1 刀具损伤主要影晌因素探讨

5．2 基于损伤最小的刀具优化分析

5．2．1 刀具材料优化分析

5．2．2 刀具涂层优化分析

5．2．3 刀具结构优化分析

5．3 切削参数优化

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢