高速干硬切削已加工表面白层形成的建模与模拟

摘要

高速干硬切削具有加工精度好、生产效率高等优点，被广泛应用于模具、航空航天等领域。但是高速干硬切削加工过程中，已加工表面易形成变质层，即―白层‖。白层是一种只有几微米厚度的脆硬组织，容易引起剥落失效和疲劳裂纹，是决定工件表面质量的重要因素。因此，研究已加工表面白层的形成机制与影响因素有重要意义。 本文以PCBN刀具切削淬硬GCr15轴承钢（HRC60）所形成的白层为研究对象，建立了高速干硬切削有限元动态仿真模型；分析了热、力效应对白层马氏体体积分数的影响；通过元胞自动机方法，建立了表面白层元胞自动机相变演化模型。 首先，建立了高速干硬切削有限元模型，基于ABAQUS有限元分析软件动态仿真切削过程，通过将中低速切削实验测得的切削力和切削温度与模拟结果进行对比，从热、力两个方面验证了模型的可行性，并提取高速切削温度模拟结果与奥氏体临界相变温度进行对比，结合白层物相成分说明了淬硬GCr15钢已加工表面白层是热主导的相变产物。 然后，通过霍普金森压杆实验得到淬硬GCr15钢在不同温度下的屈服强度，采用电子显微探针实验修正了淬硬GCr15钢主要元素摩尔分数。根据所得淬硬GCr15钢屈服强度与元素摩尔分数，结合经验公式得到相变过程中自由能随温度变化的曲线，建立了切削热作用下的淬硬GCr15钢加工表面马氏体临界相变温度计算模型。基于临界相变温度计算了切削热作用下白层的理论马氏体分数，将理论马氏体分数与实验测得的白层内马氏体分数进行对比，结果表明马氏体分数理论值高于实验值。白层中马氏体分数受切削热、力效应共同影响，塑性变形抑制了白层内马氏体相变。结合TEM实验，分析了不同切削速度以及后刀面磨损量产生的应力应变对白层内马氏体相变的抑制作用。 通过透射电子显微镜实验得到高速干硬切削已加工表面白层TEM暗场照片，根据暗场照片测得已加工表面白层晶粒尺寸，并通过晶粒尺寸计算得到奥氏体形核数量，同时提取不同切削参数下有限元仿真得到的应力、应变能以及切削温度，结合白层形成过程中的奥氏体相变与马氏体相变特征定义了元胞自动机演化规则，建立了二维元胞自动机白层组织演化模型。模拟了已加工表面白层形成过程中的奥氏体相变与马氏体相变，并应用经典马氏体形核理论验证了模拟结果的可靠性。通过分析模拟结果得到的马氏体形核密度变化规律，表明减小后刀面磨损量有助于提高已加工表面白层强度。

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