镍基高温合金高速铣削加工表面完整性研究

摘要

镍基高温合金在整个高温合金领域占有非常重要的地位，它广泛应用于航空喷气发动机、各种工业燃气轮机等热端部件的制造。镍基高温合金GH4169和镍基粉末高温合金FGH95作为镍基高温合金的代表，具有镍基高温合金的典型特点，在航空航天零部件制造中具有广泛的应用。随着航空航天工业对镍基高温合金GH4169和FGH95零件加工质量和加工生产率要求的提高，应用高速加工获得高质量的加工表面已经成为目前的研究重点。
　　 在切削加工过程中，加工表面温度、应变和应变率的分布对于加工表面完整性（白层、加工硬化和变质层）有重要的影响。本文借助AdvantEdge有限元仿真软件，建立镍基高温合金GH4169和FGH95高速铣削的有限元分析模型，对加工表面/亚表面的温度场、应变场和应变率场进行研究，并建立加工表面/亚表面的峰值温度、峰值应变和峰值应变率模型，为后续表面完整性的研究奠定基础。
　　 基于加工表面变质层、白层、暗层与基体区域在图像中存在的灰度值差异，开发《切削加工表面变质层及白层图像分析软件V1.0》。该软件的回调函数采用MATLAB提供的M语言编写，借助MATLAB的GUI模块实现界面制作，可直接对扫描电镜和数码显微镜下获得的切削加工表面横截面图像进行分析处理，获得切削加工表面变质层、白层和暗层厚度值。
　　 对镍基高温合金FGH95和GH4169进行高速铣削加工试验，应用《切削加工表面变质层及白层图像分析软件V1.0》对切削表面的变质层进行分析，研究切削速度对FGH95和GH4169变质层厚度、加工硬化率和硬化层深度的影响，以便进行切削速度的优选;同时结合有限元仿真结果，阐明FGH95和GH4169已加工表面的加工硬化率随切削速度变化的原因。
　　 对镍基高温合金FGH95和GH4169进行高速铣削加工试验，研究切削速度对FGH95和GH4169已加工表面白层厚度的影响规律，借助金属切削有限元仿真软件Advantage对镍基高温合金高速铣削过程进行二维仿真，分别获得白层和非白层区域的温度、应变和应变率分布特征，将试验结果和有限元仿真结果相结合，揭示FGH95和GH4169切削表面白层形成的相变-塑性变形耦合作用机制，建立FGH95和GH4169自层形成条件的定量表征模型，以期对镍基高温合金白层的抑制提供理论指导。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究目的和研究意义

1．2 课题研究背景和技术需求分析

1．2．1 高速切削加工技术

1．2．2 镍基高温合金简介

1．3 镍基高温合金切削加工表面完整性研究现状

1．3．1 镍基高温合金切削加工表面白层的研究

1．3．2 镍基高温合金切削加工表面加工硬化的研究

1．3．3 镍基高温合金切削加工表面变质层的研究

1．4 存在问题

1．5 研究内容与论文结构

第2章 镍基高温合金切削加工过程的有限元仿真

2．1 AdvantEdge有限元仿真技术

2．1．1 材料模型

2．1．2 切屑分离准则

2．1．3 刀具工件摩擦系数

2．1．4 自适应网格技术

2．2 镍基高温合金切削加工过程的有限元建模

2．2．1 切削加工试验

2．2．2 几何模型的建立

2．2．3 仿真参数

2．3 镍基高温合金加工过程有限元仿真结果

2．3．1 镍基高温合金的温度场

2．3．2 镍基高温合金的应变场

2．3．3 镍基高温合金的应变率场

2．4 镍基高温合金加工表面峰值温度场和形变场模型的建立

2．4．1 镍基高温合金加工表面峰值温度场模型的建立

2．4．2 镍基高温合金加工表面峰值应变场模型的建立

2．4．3 镍基高温合金加工表面峰值应变率场模型的建立

2．5 小结

第3章 切削加工表面变质层及白层的图像分析

3．1 切削加工表面变质层和白层概述

3．1．1 切削加工表面变质层

3．1．2 切削加工表面白层

3．2 变质层及白层的图像分析原理

3．2．1 变质层的图像分析原理

3．2．2 白层和暗层的图像分析原理

3．3 变质层及白层的图像分析技术

3．3．1 变质层厚度分析

3．3．2 白层和暗层厚度分析

3．4 变质层及白层图像分析的实现

3．4．1 主界面

3．4．2 预分析图像的输入与旋转处理

3．4．3 变质层的厚度分析

3．4．4 白层和暗层的厚度分析

3．5 变质层及白层图像分析的应用

3．5．1 软件的运行环境及安装

3．5．2 软件对预分析图像的质量要求

3．6 小结

第4章 镍基高温合金切削加工表面变质层及加工硬化

4．1 镍基高温合金切削加工表面变质层

4．1．1 变质层试验

4．1．2 切削力分析

4．1．3 切削温度分析

4．1．4 变质层的腐蚀与观察

4．1．5 变质层试验结果及分析

4．2 镍基高温合金切削加工表面加工硬化

4．2．1 加工硬化的评价方法

4．2．2 显微硬度测量

4．2．3 加工硬化试验

4．2．4 加工硬化试验结果及分析

4．3 小结

第5章 镍基高温合金切削加工表面白层的研究

5．1 镍基高温合金切削加工白层试验

5．1．1 切削试验

5．1．2 白层试样的制备与观察

5．2 试验结果

5．2．1 微观组织

5．2．2 切削速度对白层厚度的影响

5．3 镍基高温合金白层形成机理

5．3．1 白层区域的温度分布

5．3．2 白层区域的应变分布

5．3．3 FGH95白层形成机制

5．3．4 GH4169白层形成机理

5．4 高温合金白层形成的定量表征

5．4．1 FGH95白层形成的定量表征

5．4．2 GH4169白层形成的定量表征

5．5 小结

第6章 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢