高压冷却下镍基高温合金GH4169切削特性及冷却润滑机理研究

发布时间：2020-11-02 04:26

　　 随着航空制造业的高速发展,高温合金的应用越来越多,这主要是由于其具有良好的耐磨性以及优异的组织结构等特点,使其能够在高温高压的工作条件下仍能够保持高的抗拉强度和屈服强度,且具有较低的蠕变性和较高的抗腐蚀性和抗氧化性。但是由于高温合金材料的自身特点,在切削过程中微观组织强化相硬度高、抗剪切应力大、导热率低,易导致切削力大、切削温度高、刀具磨损严重等问题,因此高温合金属于难加工材料之一。随着辅助切削设备的发展,高压冷却切削技术的出现为解决高温合金的难加工性提供了技术支撑。因此为了提高高温合金的切削加工技术,本文以镍基高温合金GH4169为研究对象,以高压冷却切削应用为研究背景,进行高压冷却下镍基高温合金GH4169的切削特性研究,对于提高我国高端装备制造业水平,特别是高温合金零部件的生产具有重大意义。为了揭示高压冷却液对切削变形区的影响,基于流体力学理论对高压冷却液的射流特征进行了理论分析,进而得到了高压冷却液的理论冲击力及作用面积。在此基础上根据刀-屑接触区的应力分布情况,分别建立了高压冷却下刀-屑接触长度、润滑和冷却作用的理论模型,揭示了高压冷却液的冷却润滑作用机理,也为后续分析高压冷却切削特性提供了理论基础。针对高温合金在切削过程中,切削力大和表面质量差的问题,结合高压冷却液的冷却润滑机理,以高压冷却切削切削力、表面粗糙度和残余应力为研究对象,揭示了高压冷却切削机理。并通过理论分析得到了高压冷却切削过程中,切削力和已加工表面质量(表面粗糙度和残余应力)的特征变化。在此基础上结合高压冷却试验研究得到了高压冷却工艺参数(不同冷却液压力)、切削参数、刀具几何参数对上述特征的影响规律,建立了高压冷却下PCBN(Polycrystalline Cubic Boron Nitride)刀具切削GH4169已加工表面粗糙度的预测模型,为切削参数的优选提供了理论依据。针对高温合金在切削过程中切屑不易折断的问题,结合高压冷却液的喷射特性,从断屑角度进一步分析了高压冷却液对切削变形的影响。基于高压冷却切削试验研究,揭示了不同冷却液压力、切削用量及刀具几何参数下切屑的宏观及微观形态的变化规律。在此基础上基于绝热剪切理论揭示了高压冷却下切削高温合金GH4169锯齿形切屑的形成机理。通过对切削变形区进行受力分析,并结合高压冷却液的冲击力,分析了高压冷却液对切屑卷曲半径的影响,最终建立了高压冷却下切屑卷曲折断的理论模型,为切屑的控制提供了理论支撑。针对高温合金切削过程中,刀具磨损严重的问题,基于高压冷却切削试验,揭示了PCBN刀具的磨损机理,并通过与常压冷却切削对比,确定了高压冷却下PCBN刀具的主要磨损形式;在此基础上进一步分析了不同冷却条件、切削用量以及刀具几何参数对刀具寿命的影响规律,并通过运用自适应遗传算法,建立了高压冷却下PCBN刀具切削GH4169刀具寿命的预测模型,为切削参数优选提供了理论依据;最终基于上述研究内容以及遗传算法和矩阵分析法,对高压冷却下PCBN刀具切削镍基高温合金GH4169的切削参数、刀具几何参数以及冷却液喷射角度进行了优化。上述研究成果可为高压冷却切削加工技术的推广及高效高品质加工高温合金提供理论依据和技术支撑。
【学位单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：V252;TG132.3;TG506
【部分图文】：

(a) 高温合金涡轮盘 (b) 高温合金涡轮转子图 1-1 高温合金的应用Fig. 1-1 Application of superalloy在高温合金中应用量较为广泛的是镍基高温合金，例如，在某型号航空动机上，其比重超过 50%[4]。但是由于高温合金材料的自身特点，在切削过

1-2 PCBN 刀具切削高温合金的破损形貌 图 1-3 PCBN 刀具切削高温合金切屑形ig. 1-2 Damaged morphology of PCBN incutting superalloyFig. 1-3 Chip shape of PCBN incutting superalloy随着机床辅助设备的发展，近年来出现了高压冷却切削方式，如图 1-，它为解决高温合金的高效切削加工问题提供了技术支持。与传统冷却

1-2 PCBN 刀具切削高温合金的破损形貌 图 1-3 PCBN 刀具切削高温合金切屑形ig. 1-2 Damaged morphology of PCBN incutting superalloyFig. 1-3 Chip shape of PCBN incutting superalloy随着机床辅助设备的发展，近年来出现了高压冷却切削方式，如图 1-，它为解决高温合金的高效切削加工问题提供了技术支持。与传统冷却
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本文编号：2866566