大型筒节零件高效切削及刀具技术研究

摘要

大型筒节毛坯为自由锻造而成，其直径最大可达7m以上，最大高度达6.4m，单件重达200多吨。大型筒节毛坯锻件表面加工条件非常恶劣，其荒加工过程中材料去除量高达50％，切削深度αp更是达到30mm，其材料采用高温高强度钢2.25Cr-1Mo-0.25V，切削过程中不同切削参数会产生刚度极高且形念各异的大型切屑，切屑的折断需要很大的机械载荷。因此，切屑的每次折断均会给刀片造成机械冲击。切削过程中由工件表面的锻造缺陷和大型切屑折断瞬间所引起的冲击载荷以及工件表面的金属硬化物等均会引起硬质合金车刀发生冲击破损（冲击断裂和疲劳断裂）以及高温力学性能失稳现象的发生。
　　针对大型锯齿形切屑生成特点，通过应用有限元仿真及切削实验研究相结合的方法，深入分析重型切削特点及大型切屑形式与卷曲过程，借助扫描电镜观察，揭示大型切屑形成机理;通过应用有限元仿真分析大型切屑卷曲过程，明确其折断位置范围，建立大型切屑折断载荷力学模型，定量描述其折断载荷大小及分析影响模型精确度的相关因素，并通过切削实验验证模型的准确性及可靠性。
　　针对重型切削过程中硬质合金车刀易产生冲击断裂的问题，应用机械冲击理论从冲击载荷角度分析重型硬质合金车刀冲击断裂产生的原因，并确立其产生冲击断裂的临界条件;采用数值描述结合有限元仿真的方法，分析研究重型硬质合金车刀冲击断裂产生机理及破损形式，并通过冲击实验揭示硬质合金抗冲击强度的尺度特性。
　　针对重型硬质合金车刀发生疲劳失效现象。通过疲劳实验，提出动态载荷下硬质合金疲劳断裂产生机制;通过断续切削实验，研究分析导致硬质合金车刀疲劳行为产生的本质原因，提出预防硬质合金车刀过早出现疲劳的措施。
　　针对重型切削过程中由高温引起的硬质合金车刀力学性能失稳问题。对重型车削过程中的切削热产生与影响进行研究。通过有限元仿真分析，揭示重型切削过程切削热产生机制;采用温升实验方法，对硬质合金硬度与温变的关系进行分析，研究硬质合金车刀硬度的温变规律;通过热冲击和热膨胀实验，研究热冲击对硬质合金车刀力学性能的影响，并明确重型切削最高温度范围。
　　提出一种基于图像处理技术的大型筒节毛坯锻件荒加工过程车刀切削行程计算和冲击寿命评价方法，并明确该方法的限定条件;综合分析筒节荒加工过程特点，提出实现大型筒节高效加工的技术措施。
　　本文采用硬质合金车刀，以重型筒节材料高温高强度钢2.25Cr-1Mo-0.25V钢的切削过程为研究对象，通过理论分析、数值计算模拟以及高温性能实验、切削实验相结合的方法，在大型切屑折断力学、硬质合金车刀冲击断裂、疲劳断裂、高温力学特性以及车刀寿命评价等方面进行研究。研究可为重型切削加工的生产增效以及重型切削刀具开发技术的推广提供理论指导和技术支撑。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 课题来源

1．1．2 课题研究的目的和意义

1．2 刀具失效研究理论

1．2．1 重型切削过程力学特点

1．2．2 重型切削过程热-力耦合作用

1．2．3 重型切削刀具材料性能

1．3 国内外研究现状

1．3．1 切屑卷曲折断的国内外研究现状

1．3．2 刀具失效研究现状

1．3．3 切削温度国内外研究现状

1．4 本文的主要研究内容

第2章 简节材料的切削加工性及切屑折断力学特性

2．1 重型筒节材料切削加工性

2．1．1 切削力特点

2．1．2 切削温度特点

2．1．3 刀具寿命

2．1．4 切屑折断特性

2．2 重型切削过程中大型切屑生成过程

2．2．1 重型切削大型切屑宏观特征

2．2．2 重型切削条件下大型切屑生成机理

2．3 重型切削条件下大型切屑折断力学

2．3．1 大型切屑卷曲仿真分析

2．3．2 大型切屑折断力学分析

2．3．3 大型切屑折断力学实验验证

2．4 本章小结

第3章 重型硬质合金车刀冲击断裂研究

3．1 重型车刀冲击断裂分析

3．1．1 硬质合金车刀冲击断裂临界条件模型

3．1．2 重型切削冲击载荷与应力

3．1．3 强机械冲击载荷下刀具的断裂失效

3．2 重型车刀冲击断裂数值描述与仿真分析

3．2．1 冲击模型间接触约束条件

3．2．2 刀-工件冲击接触范围的确定

3．2．3 刀-工件冲击接触节点的确定

3．2．4 刀-工件接触瞬间冲击力计算

3．2．5 重型车刀冲击断裂仿真分析

3．3 冲击载荷条件下硬质合金冲击断裂实验验证

3．3．1 硬质合金抗冲击性能的尺度特性

3．3．2 硬质合金冲击断裂实验

3．4 本章小结

第4章 重型硬质合金车刀疲劳失效研究

4．1 动态载荷下重型硬质合金车刀疲劳分析

4．1．1 重型硬质合金车刀疲劳失效现象

4．1．2 动态载荷下重型硬质合金车刀疲劳产生原因

4．2 机械载荷作用下硬质合金的疲劳失效

4．2．1 实验设计

4．2．2 实验结果

4．2．3 实验结果分析与讨论

4．3 热-力作用下刀具疲劳断裂

4．3．1 实验方案的确定

4．3．2 刀具疲劳的理论分析

4．3．3 刀具破损分析

4．3．4 刀具疲劳应力的定量计算

4．3．5 刀具疲劳应力的测定

4．4 本章小结

第5章 重型硬质合金车刀高温力学特性研究

5．1 切削过程中的切削热与切削温度

5．1．1 切削热产生过程

5．1．2 切削热对切削温度的影响

5．2 切削温度与刀具寿命

5．2．1 硬质台金刀具材料硬度的温变规律

5．2．2 切削温度与刀具寿命定量分析

5．3 重型刀具温度场分析

5．3．1 剪切区温度计算

5．3．2 刀-届接触面的温度计算

5．4 重型硬质合金车刀高温力学特性

5．4．1 热载荷对硬质合金力学性能的影响

5．4．2 切削温度实验

5．5 本章小结

第6章 重型硬质合金车刀寿命评价及刀具开发

6．1 重型切削刀具寿命评价

6．1．1 切削行程和冲击次数计算原理

6．1．2 刀具寿命计算与分析方法

6．1．3 筒节荒加工过程刀具切削行程与冲击次数计算

6．2 筒节荒加工专用刀具开发

6．2．1 重型硬质合金车刀几何结构设计

6．2．2 重型切削车刀表面强化方案

6．2．3 新型重型车刀仿真分析

6．2．4 重型硬质合金刀具系列设计开发

6．3 重型车刀寿命对比实验

6．3．1 实验方法

6．3．2 实验结果及分析

6．4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间专利及科研项目情况

攻读博士学位期间获奖情况

致谢