基于材料动态再结晶行为的高速切削机理研究

发布时间：2020-02-20 02:33

【摘要】：本文针对高速切削过程中工件材料可能发生的动态再结晶行为而导致材料力学性能和扩散机制骤变,进而对切削过程平衡和刀具磨损产生影响展开了研究。研究主要以1045钢在正交高速切削时切屑形貌的转变,以及刀具加速磨损现象为研究对象。通过以切削过程中切削力学平衡和能量最低原理为基础,建立了以第一切变区和第二切变区综合应变能最低为核心的平衡剪切角计算模型。结果表明,用能量最低原理所建立模型所得平衡剪切角计算结果与实验所测的平衡剪切角能较好吻合。根据热模拟实验结果,本文分析讨论了用结合了应变速度和应变温度的Zener-Hollomon (Z)参数,建立材料本构模型的可行性和参数求解方法。结果表明Z参数构建的材料本构模型可更好地反应材料在变形过程中应变速率硬化和温度软化的交互作用,其模型的参数求解更加合理简便,为高速形变条件下材料本构模型的研究提供了一种方法。本文通过以材料的动态再结晶作为基本的动态转变行为,结合对动态再结晶临界应变和动态再结晶的动力学分析,建立了包含材料动态形变和动态再结晶作用的综合本构模型,为进一步研究高速切削过程中材料行为对切削力学平衡和刀具磨损的影响规律提供了必要基础。经系统分析刀具切入后,切入角向平衡剪切角转动过程中,第一切变区和第二切变区温度、应变和应变速度的变化,并结合本构模型,研究了材料变形和动态再结晶行为,得出：随着第二切变区应变的改变,将导致材料从简单摩擦至塑性变形,再到动态再结晶的发生,工件材料发生动态再结晶后导致力学性能骤降,是引起切屑从连续状变成为锯齿状的本质原因。同时,锯齿状切屑的产生还伴随着在工件和刀具接触面上工件材料中纳米晶粒的形成,造成刀具前刀面加速扩散磨损。论文基于晶界扩散加大元素扩散系数对此实验现象进行了分析讨论,结果表明高速切削阶段形成细小晶粒时加速刀具磨损显著。为更深入地对切削过程中刀具磨损行为进行研究,论文采用有限元模拟在实现了对本构模型,微观组织结构演化,以及晶粒尺寸对刀具扩散磨损影响的二次开发基础上构建了刀具正交切削磨损模型。模拟计算结果证明,高速切削时切屑材料发生动态再结晶后,加剧了刀具扩散磨损。综合研究的结果可看出,在高速切削过程中,通过合理设计切削速度和切削量或其它方法,避免材料动态转变行为发生所导致的锯齿状切屑,可有效减少刀具扩散性磨损,提高刀具寿命。
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TG506.1

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