切削高温合金GH4169的前刀面微槽刀具设计及切削性能研究

发布时间：2020-06-04 00:36

【摘要】：在现代航空工业的发展过程中,高温合金材料是航空发动机的主要材料之一,占据着不可替代的位置。镍基高温合金具有良好的抗氧化性、耐高温和耐腐蚀性。然而,正是由于高温合金难加工的特点,使刀具前刀面切削刃近域产生剧烈的热力载荷,导致刀具的磨损加快、耐用度降低。因此在刀具的前刀面切削刃近域设计合理的微槽结构是提高刀具切削性能的重要途径。本文以切削镍基高温合金GH4169的专用硬质合金数控刀具作为研究对象,以调控切削能分配、降低切削温度和提高刀具耐用度为研究目的,基于温度场形状开展刀具前刀面切削刃近域微槽设计,创新设计并制备了切削GH4169高温合金材料的前刀面新型微槽刀具;将理论研究、有限元仿真和切削试验相结合,重点研究了新型微槽刀具的综合切削性能、降温机理、磨损机理以及微槽刀具切削GH4169的切屑形态及其影响研究。基于刀具切削温度场形状,开展刀具前刀面切削刃近域微槽的设计。以DEFORM-3D为数值模拟平台,将原刀具进行有限元切削仿真试验,利用MATLAB将DEFORM后处理平台导出的数据进行处理筛选,并在NX 8.5中逆向构建微槽曲面,建立刀具的初始微槽三维模型。为了使切屑更易于流出且减小与前刀面的摩擦,研究刀具前刀面的前角以及微槽内边缘对切屑形成和流出的影响,对初始微槽槽形进行优化设计,通过切削仿真试验,分析微槽槽形对切削温度和切削力的影响规律,建立相关关系模型,确定了微槽设计的主要槽形参数,优化了微槽。前刀面新型微槽刀具切削高温合金GH4169的基础理论研究。结合镍基高温合金的特点,建立新型微槽刀具的切削力学模型。根据奥克斯利-威尔希切削理论,结合切削实验,建立微槽刀具加工GH4169高温合金材料的切削方程。基于微槽刀具切削GH4169高温合金材料的摩擦特性研究,建立相应的刀-屑接触区摩擦模型。综合金属切削及传热学原理,建立微槽刀具在三维切削过程中的切削能计算模型,研究微槽结构对剪切能和摩擦能的影响。通过切削试验、数值计算和理论分析相结合的方法,建立微槽刀具切削性能综合评价方法。采用对比分析的方法,设计合理的切削试验方案,从切削力、切削温度、已加工工件表面质量、刀具寿命、刀-屑接触界面摩擦磨损特性等方面分析和评价新型微槽刀具的切削性能;重点分析切削能随切削参数的变化规律,探寻切削能的生热、分配机制及其对刀具前刀面切削温度的叠加影响,进一步揭示了微槽刀具的降温机理;通过对新型微槽刀具前、后刀面的磨损情况的检测与分析,发现新型微槽刀具的磨损机理为磨粒磨损、粘结磨损和氧化磨损。结合镍基高温合金GH4169的加工特性,分析研究了新型微槽刀具切削高温合金GH4169的切屑变形及其影响。通过切削试验,研究了微槽结构对切屑形状、卷曲半径、锯齿化程度、剪切带显微硬度以及切屑毛边的影响。基于切屑形变和分形理论,在MATLAB软件平台上建立了切屑变形的分形维数计算模型,基于该模型编写切屑分形维数解析程序,分析了微槽结构对切屑分形维数的影响,建立了切削速度与切屑分形维数两者之间的关系。同时,研究了不同切削速度下,切屑毛边对刀具后刀面沟槽磨损和工件已加工表面质量的影响。通过以上研究,创新设计并制备了切削高温合金GH4169新型微槽刀具,发现该刀具降低了切削过程的切削热和切削能消耗,并据此阐释了微槽刀具的降温机理和磨损机理。对比切削实验表明,微槽刀具具有更长的刀具寿命,更好的断屑效果,综合切削性能优异。本文研究成果对于促进难加工材料加工技术的进步和丰富刀具前刀面切削刃近域微槽设计方法与理论具有重要的意义。
【图文】：

几何形状,织构,加工速度,纳米

而且可以提高切削的可加工性。任何表面的结构都可以通凹槽形式的纹理来进行修改或改进，凹坑或凹槽的几何形状根据应用纳米尺度。对于这些复杂轮廓的微/纳米纹理，可以采用各种加工工艺加工、磨削加工、激光束加工和离子束加工等，，其优缺点分别如表 1表 1-2 表面微织构常用制备方法的优缺点[77-79]法优点缺点加工加工高硬度的金属不能加工不导电材料，加工效率工加工高硬度材料，加工精度高磨削温度高加工加工速度快，控制精度高加工设备昂贵，加工成本高加工加工速度快、污染低，材料表面不发生氧化需要整套专用设备，价格昂贵着微/纳米加工技术的最新发展，激光束微加工表现出加工速度快、尺等优势，是目前所有微加工技术中发展微/纳米特征的最有效的技术学者采用飞秒、皮秒等激光加工方式研究微织构刀具[80]。主要包括和纳米织构、微/纳复合结构阵列等类型，如图 1-1 所示。

有限元模型,切削圆,弧角,切削温度

)(GPa)(GPa)泊4.6 1.4 91 HRA 968 / 363HBS 具进行切削仿真，采用修正的拉布情况。切削用量为：v=55 m/m切削圆弧角为 25°。刀具设置为为７，并对刀具的刀尖部分进过程中，做以下假设：（a）工件接触区的摩擦系数为恒定值，本匀换热，本文中为了使切削仿真的最高切削温度[105]，刀-屑间围环境的对流换热系数为 20 N示。
【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V261;TG132.3;TG506

【参考文献】