镍基高温合金高速切削参数优化研究

发布时间：2020-09-28 07:21

　　高速切削技术作为先进制造技术与传统方法比较,因为独特的加工特性和潜在的应用价值,已经成为21世纪重要的研究课题之一。金属材料的高速加工通常产生锯齿形切屑,锯齿形切屑的形成几乎影响整个切削过程,它包括切削温度、切削力、表面质量等。因此研究高速切削过程中锯齿形切屑的形成过程与切削参数之间的关系是十分必要的,切屑的形态和切削力是切削机理的重要组成部分。高温合金是航空航天领域广泛应用的典型的耐高温合金材料之一,由于高温合金的摩擦系数大、导热系数低、淬火硬化等因素,导致切削力、切削温度高以及刀具磨损严重等,严重影响着加工效率和加工质量。在本文中,针对镍基高温合金GH4169进行了研究,尤其对其高速切削加工性能进行了深入的研究。根据实验结果,优化了高速切削加工的工艺参数。本论文主要的研究工作如下:(1)通过分析高速切削变形机理,发现高速切削时易于出现锯齿形切屑。根据绝热剪切理论推理集中剪切滑移切削模型和切削方程式。(2)采用有限元软件ABAQUS创建简化的二维正交切削有限元模型,模拟高速切削时切屑的形成过程,将加工刀具的前角、切削速度、切削厚度等不断调整,探讨对切屑形态的影响规律。(3)通过有限元瞬态仿真分析不同切削参数对切削力的影响。从仿真结果看出,切削力随着刀具前角的增大而减小,随切削速度的增大和切削厚度的减小而减小,两者达到了很好地一致性,为实际生产提供了理论支持。(4)设计正交实验表,通过正交实验测出不同切削用量下的切削力的实验数据,并用数值计算法对数据处理,与有限元分析的数据利用曲线图的方法直观的对比发现,有限元模拟结果与实验数据基本一致。(5)设计高速切削镍基高温合金切屑形状实验。保证其他参数不变,只改变切削速度,在实验中收集每一组实验数据的切屑并通过ZIESS-LSM700电镜扫描拍照,分析不同切削速度的切屑形状。结果发现,镍基高温合金有带状和锯齿形两种切屑形态,两者之间有一个临界切削速度(60m/min),当切削速度大于这个值时由于集中剪切滑移形成锯齿形切屑。(6)设计实验测量高速切削时刀具磨损形态和刀具寿命。结果发现,在高速切削镍基高温合金时刀具磨损主要是粘结磨损、崩刃和片状脱落。测量不同切削参数值的刀具使用寿命值,结果表明,切削深度对刀具的使用寿命影响最大。(7)对镍基高温合金高速铣削参数进行了优化研究。基于最小化加工成本和最大化生产率的目标,建立了基于工件、机床、工具和加工要求约束的多目标参数优化模型。使用MATLAB遗传算法工具箱和图形用户界面工具箱(GUI),在给定条件下对参数进行优化。
【学位单位】：陕西科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG506.1
【部分图文】：

切削温度,切削速度

统的方法不但耗时而且成本昂贵，所以在本文中采用有限元了得出切削用量与切屑形态、切削力之间的关系，在模拟加对照试验以模拟不同情况下的切削结果，有利于加深对高温及这种材料它本身性能的认知。加工阐述德国萨洛蒙博士提出了高速切削（High Speed Cutting，HS业界产生轰动性的效应，一度成为这个领域的最重要的发现速切削技术是属于新世纪的制造技术。加工的定义加工技术起源于二十世纪末，德国物理学家萨洛蒙进行了一31 年被授予德国专利“具有相似加工特性的金属材料加工设，成为高速切削第一个里程碑[3]。图 1-1，就是我们在文献速度与切削温度关系曲线[4]。它是由萨洛蒙通过做大量的实。图中，虚线表示推测结论，实线表示实验数据。钢1600

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镍基高温合金高速切削参数优化研究为止，高速切削并没有在学术界得到一个公认的定义，只有一个相速而言的相对概念。所谓的高速切削在不同的机床、走刀程序、加的影响下也会有不一样的定义，它的速度不是一个定值。我们对高速切削有 4 种传统概括[5]种切削方法的切削速度范围。例如铣削它的切削速度可以达到 200~00~19000m/min；车削 500~6000m/min；钻削 1100~100m/min。结各种材料。德国达姆施塔特工业大学（Darmstadt University of Te、工艺与机床研究所（Institute of Production Management，Techools ）将黄铜、纤维强化材料等不同的材料做高速切削加工，获得削速度范围，并绘制了示意图如图 1-2 所示。材料类型

切屑包括了四种，即带状、锯齿型、单元型、崩碎型，详见下图2-1。高速切削钢，尤其是难加工材料，随着切削速度的提高，切屑的形状也会变化，最初为带状，后来为粒状，最初为连续的，后来为非连续的，最后，演变成切屑单元体互相分离的崩碎型切屑。因此，分析高速切削切屑的变形特性对切削加工来说十分必要。a）带状切屑 b）锯齿状切屑 c）单元切屑 d）崩碎切屑图 2-1 切屑类Fig.1-2 Cutting speeds for different materials2.1.1 切屑变形的一般规律被切削层在刀具的挤压作用下出现弹塑性变形，第一变形区发生形变并沿着剪切面滑动，在刀刃的前端分离，一部分沿着前刀面第二变形区因挤压、摩擦产生切屑，另外一部分与刀具后刀面摩擦挤压形成已加工表面。材料的形变主要出现在第一形变区，即为主变形区。切屑形变涉及到的参数包括：变形系数 ξ、相对滑移和剪切角 φ[35]。三者彼此间存在如下关系： φφγξsin0 cos（2-1）00sincosξγγφ tan （2-2）

【参考文献】