高压冷却下GH4169已加工表面变质层形成机理研究
发布时间：2021-11-16 05:43
航空零部件材料GH4169是典型的难加工材料,其导热率低且切削加工性能差。在常规加工时,材料受到塑性变形及组织分布不均匀的影响,表面易产生加工变质层。变质层作为表面质量的评价指标,其微观组织形态、厚度及分布将影响已加工表面的力学性能及微观裂纹的形成。随着切削辅助加工技术的发展,高压冷却辅助加工技术的应用可有效地改善已加工表面质量。但是目前针对高压冷却条件下变质层的微观演化机制尚有欠缺。本文以镍基高温合金GH4169为研究对象,采用高压冷却辅助加工技术,结合理论与仿真,通过预测、分析表面变质层的微观形貌、组成结构及影响因素等,对切削GH4169已加工表面变质层的形成机理展开研究。首先,通过分析高温合金切削加工过程的热力特性,采用Deform-3D构建高压冷却下GH4169车削加工热-力耦合有限元模型,对硬态切削过程中已加工表面温度场、形变场进行模拟分析,并通过回归分析建立已加工表面温度场的峰值预测模型,为后续研究已加工表面变质层的形成机理提供理论依据。其次,基于合金相变的热力学及金属塑性变形位错理论,建立高压冷却下微观塑性变形层的厚度预测解析模型;在高压冷却下PCBN刀具切削GH4169...
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
高温合金在航空发动机中的应用Fig.1-1Applicationofsuperalloyinaeroengine
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文积屑瘤(BUE)[14]；除此之外，高压冷却大大缩短了刀具-切屑的接触长度，提高了断屑能力和排屑能力[15,16]。Courbon的课题组在高压冷却下建立了GH4169的车削加工有限元模型，并加以试验验证，发现在冷却压力为30~130bar范围内，切削温度、切削力及刀-屑接触长度均降低，其中切削温度降低40~45%，另外证实了冷却压力的提高会增大表面的机械载荷[17,18]；Machado等对比了高压冷却下，钛合金与Inconel901两种材料的切削试验，发现高压冷却对于切屑折断方面作用较明显，可有效缩短刀-屑接触长度，在粘结区与滑动区的机械载荷均呈减小趋势[19]。图1-2高压冷却液喷射状态示意图Fig.1-2Theschematicofhigh-pressurecoolantinjection一般情况下，刀具寿命通常随冷却液压力的升高而延长，这是由于高压冷却可降低刀-屑间的接触，减小摩擦系数，进而降低了切削温度及切削力。在高压冷却下涂层硬质合金刀具切削AISI1045钢的试验研究基础上可知，前刀面喷射冷却液时，由于刀-屑附着力较强，刀具前刀面会产生月牙洼磨损[20]；SuG等发现冷却压力可减少前刀面和后刀面的刀具磨损程度，在高速切削中高压冷却对磨损的影响更为明显[16]；Ayed等基于高压冷却下WC刀具切削Ti17的试验研究发现，高压冷却可有效改善常规切削中刀具失效问题，减小后刀面磨损[21]；E.O.Ezugwua等人在高压冷却条件下，采用PVD刀具车削GH4169，发现冷却压力在150bar内，刀具的磨损及切削力降低，表面质量显著提高[22]；胡增荣等将高压冷却技术应用于高温合金薄壁零件的加工中，试验结果表明高压冷却液的射流作用可迅速的降低切削热，同时可缩短走刀量[23]。除此之外，高压冷却辅助加工在已加工表面质量的优化方面也具有显著作-3-
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文用。当冷却液有效地作用在刀-屑接触区域，加工过程中的温度和塑性变形较低，已加工表面的硬化以及微观损伤较校Vosough等结合有限元仿真与试验研究对高压冷却钛合金已加工表面的残余应力进行研究分析，发现进给方向残余应力大于车削方向残余应力，冷却液压力的增加会小幅度增大残余压应力[24]；沈汛等基于对PCBN刀具切削镍基高温合金的研究，发现在较大的切削速度（约150m/min）、较小的切削深度及适当的冷却液喷射压力的切削条件下，已加工表面质量较好，同时采用负倒棱角度会利于表面质量的优化[25]；Liang针对高压冷却下的钛合金车削加工表面完整性展开研究，发现冷却液压力的增加会降低塑性变形层深度，削弱表面加工硬化效应。如图1-3所示为高压试验中钛合金已表面变质层厚度[26]。图1-3高压冷却下钛合金已表面变质层厚度Fig.1-3Deformationdepthoftitaniumalloysurfaceunderhighpressurecooling以上研究结合仿真模拟与试验研究，分析切削不同材料时高压冷却对切削温度、刀具磨损、刀具寿命、刀-屑间的摩擦、断屑效果及表面完整性的影响规律，然而对于高压冷却下的表面变质层的微观演化及形成机制方面却少有研究。高温合金GH4169材料特性GH4169的耐高温机械性能也使其成为难加工材料，在加工过程中会产生亚表层变形，表面承受的机械载荷和热载荷也会导致材料的微观结构发生改变。GH4169合金（英文牌号为Inconel718）是一种二次相析出时效强化型的镍基高温合金。材料组成则包括基体和金属间化合物，其中常见的金属间化合物呈-4-
【参考文献】：
期刊论文
[1]H13钢硬态铣削表面变质层研究[J]. 胡瑞泽,张松. 工具技术. 2019(06)
[2]高速铣削参数对TC17钛合金表面变质层的影响[J]. 谭靓,张定华,姚倡锋. 航空材料学报. 2017(06)
[3]高压冷却技术在航空高温合金薄壁零件加工中的应用[J]. 胡增荣,李俊杰,孙义林,赵利润,徐华. 精密制造与自动化. 2016(02)
[4]镍基高温合金高速切削加工性[J]. 沈汛,孙剑飞,陈五一. 工具技术. 2014(12)
[5]已加工表面变质层的发展研究[J]. 张方圆,段春争,王敏杰. 机械设计与制造. 2014(10)
[6]薄壁零件车削工艺[J]. 左海燕,梁兵,陈利波. 金属加工(冷加工). 2014(18)
[7]镍基粉末高温合金切削加工表面白层形成热-力耦合作用机理[J]. 刘战强,吕绍瑜. 机械工程学报. 2014(17)
[8]GH4169高速车削参数对加工表面完整性影响研究[J]. 刘维伟,李晓燕,万旭生,李锋,单晨伟. 机械科学与技术. 2013(08)
[9]镍基高温合金材料的研究进展[J]. 王会阳,安云岐,李承宇,晁兵,倪雅,刘国彬,李萍. 材料导报. 2011(S2)
[10]高速铣削Inconel 718已加工表面残余应力的有限元分析[J]. 曹成铭,刘战强,林琪. 工具技术. 2011(05)
博士论文
[1]模具钢硬态切削过程刀具磨损及表面淬火效应研究[D]. 岳彩旭.哈尔滨理工大学 2012
[2]粉末高温合金FGH95高速切削加工表面完整性研究[D]. 杜劲.山东大学 2012
[3]高速切削航空铝合金变形理论及加工表面形成特征研究[D]. 付秀丽.山东大学 2007
硕士论文
[1]高速干硬切削己加工表面白层微观形成机理研究[D]. 徐欣欣.大连理工大学 2016
[2]高速干硬切削表面变质层动态再结晶的有限元—元胞自动机耦合模拟与预测[D]. 秦泗伟.大连理工大学 2016
本文编号：3498264
【文章来源】：哈尔滨理工大学黑龙江省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
高温合金在航空发动机中的应用Fig.1-1Applicationofsuperalloyinaeroengine
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文积屑瘤(BUE)[14]；除此之外，高压冷却大大缩短了刀具-切屑的接触长度，提高了断屑能力和排屑能力[15,16]。Courbon的课题组在高压冷却下建立了GH4169的车削加工有限元模型，并加以试验验证，发现在冷却压力为30~130bar范围内，切削温度、切削力及刀-屑接触长度均降低，其中切削温度降低40~45%，另外证实了冷却压力的提高会增大表面的机械载荷[17,18]；Machado等对比了高压冷却下，钛合金与Inconel901两种材料的切削试验，发现高压冷却对于切屑折断方面作用较明显，可有效缩短刀-屑接触长度，在粘结区与滑动区的机械载荷均呈减小趋势[19]。图1-2高压冷却液喷射状态示意图Fig.1-2Theschematicofhigh-pressurecoolantinjection一般情况下，刀具寿命通常随冷却液压力的升高而延长，这是由于高压冷却可降低刀-屑间的接触，减小摩擦系数，进而降低了切削温度及切削力。在高压冷却下涂层硬质合金刀具切削AISI1045钢的试验研究基础上可知，前刀面喷射冷却液时，由于刀-屑附着力较强，刀具前刀面会产生月牙洼磨损[20]；SuG等发现冷却压力可减少前刀面和后刀面的刀具磨损程度，在高速切削中高压冷却对磨损的影响更为明显[16]；Ayed等基于高压冷却下WC刀具切削Ti17的试验研究发现，高压冷却可有效改善常规切削中刀具失效问题，减小后刀面磨损[21]；E.O.Ezugwua等人在高压冷却条件下，采用PVD刀具车削GH4169，发现冷却压力在150bar内，刀具的磨损及切削力降低，表面质量显著提高[22]；胡增荣等将高压冷却技术应用于高温合金薄壁零件的加工中，试验结果表明高压冷却液的射流作用可迅速的降低切削热，同时可缩短走刀量[23]。除此之外，高压冷却辅助加工在已加工表面质量的优化方面也具有显著作-3-
哈尔滨理工大学工学硕士学位论文用。当冷却液有效地作用在刀-屑接触区域，加工过程中的温度和塑性变形较低，已加工表面的硬化以及微观损伤较校Vosough等结合有限元仿真与试验研究对高压冷却钛合金已加工表面的残余应力进行研究分析，发现进给方向残余应力大于车削方向残余应力，冷却液压力的增加会小幅度增大残余压应力[24]；沈汛等基于对PCBN刀具切削镍基高温合金的研究，发现在较大的切削速度（约150m/min）、较小的切削深度及适当的冷却液喷射压力的切削条件下，已加工表面质量较好，同时采用负倒棱角度会利于表面质量的优化[25]；Liang针对高压冷却下的钛合金车削加工表面完整性展开研究，发现冷却液压力的增加会降低塑性变形层深度，削弱表面加工硬化效应。如图1-3所示为高压试验中钛合金已表面变质层厚度[26]。图1-3高压冷却下钛合金已表面变质层厚度Fig.1-3Deformationdepthoftitaniumalloysurfaceunderhighpressurecooling以上研究结合仿真模拟与试验研究，分析切削不同材料时高压冷却对切削温度、刀具磨损、刀具寿命、刀-屑间的摩擦、断屑效果及表面完整性的影响规律，然而对于高压冷却下的表面变质层的微观演化及形成机制方面却少有研究。高温合金GH4169材料特性GH4169的耐高温机械性能也使其成为难加工材料，在加工过程中会产生亚表层变形，表面承受的机械载荷和热载荷也会导致材料的微观结构发生改变。GH4169合金（英文牌号为Inconel718）是一种二次相析出时效强化型的镍基高温合金。材料组成则包括基体和金属间化合物，其中常见的金属间化合物呈-4-
【参考文献】：
期刊论文
[1]H13钢硬态铣削表面变质层研究[J]. 胡瑞泽,张松. 工具技术. 2019(06)
[2]高速铣削参数对TC17钛合金表面变质层的影响[J]. 谭靓,张定华,姚倡锋. 航空材料学报. 2017(06)
[3]高压冷却技术在航空高温合金薄壁零件加工中的应用[J]. 胡增荣,李俊杰,孙义林,赵利润,徐华. 精密制造与自动化. 2016(02)
[4]镍基高温合金高速切削加工性[J]. 沈汛,孙剑飞,陈五一. 工具技术. 2014(12)
[5]已加工表面变质层的发展研究[J]. 张方圆,段春争,王敏杰. 机械设计与制造. 2014(10)
[6]薄壁零件车削工艺[J]. 左海燕,梁兵,陈利波. 金属加工(冷加工). 2014(18)
[7]镍基粉末高温合金切削加工表面白层形成热-力耦合作用机理[J]. 刘战强,吕绍瑜. 机械工程学报. 2014(17)
[8]GH4169高速车削参数对加工表面完整性影响研究[J]. 刘维伟,李晓燕,万旭生,李锋,单晨伟. 机械科学与技术. 2013(08)
[9]镍基高温合金材料的研究进展[J]. 王会阳,安云岐,李承宇,晁兵,倪雅,刘国彬,李萍. 材料导报. 2011(S2)
[10]高速铣削Inconel 718已加工表面残余应力的有限元分析[J]. 曹成铭,刘战强,林琪. 工具技术. 2011(05)
博士论文
[1]模具钢硬态切削过程刀具磨损及表面淬火效应研究[D]. 岳彩旭.哈尔滨理工大学 2012
[2]粉末高温合金FGH95高速切削加工表面完整性研究[D]. 杜劲.山东大学 2012
[3]高速切削航空铝合金变形理论及加工表面形成特征研究[D]. 付秀丽.山东大学 2007
硕士论文
[1]高速干硬切削己加工表面白层微观形成机理研究[D]. 徐欣欣.大连理工大学 2016
[2]高速干硬切削表面变质层动态再结晶的有限元—元胞自动机耦合模拟与预测[D]. 秦泗伟.大连理工大学 2016
本文编号：3498264
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