水室封头材料加工刀具切削性能研究及设计优化

发布时间：2020-06-15 10:17

【摘要】：AP1000核电机组在我国核电站应用广泛,蒸发器水室封头是该机组设备的主要零部件,其材料为难加工材料508Ⅲ钢,具有较高的硬度、塑性及强度,重型切削作为其主要加工方式,属于典型的极端制造。水室封头在加工过程中切削参数远远大于普通切削(切削速度一般为300~400m/min,进给速度为1~1.2m/min,切削深度可达4mm以上),刀具在加工过程中承受较大循环冲击载荷,导致刀具损伤失效问题严重。同时由于锻造水室封头毛坯铣削去除余量大,表面缺陷较多,加工效率较低。针对以上问题,本文从结构设计优化、有限元分析及切削性能评价等方面进行研究,进行水室封头材料加工刀具切削性能研究及设计优化,对重型切削刀具的开发具有重要的理论价值和意义。首先,从水室封头结构、材料以及加工技术等方面对重型切削过程加工特性进行分析;分别结合铣削实验与仿真模拟对切削力与切削热进行研究;探讨重型切削过程中载荷特性对刀具材料损伤的影响,为硬质合金刀具失效行为研究提供一定的理论依据。其次,通过理论、实验与仿真相结合的方法,采用不同材料、结构、涂层的刀片进行切削试验,分析不同刀片的抗损伤性能;同时运用有限元分析方法,对刀片切削区域进行热-机械冲击载荷分析,并根据水室封头重型铣削刀具损伤机理,结合损伤模型和寿命预测模型,提出重型高效切削刀片的“材料-结构-涂层”匹配原则。再次,对水室封头材料加工刀具设计优化及分析,通过对比实验分析层切面铣刀的应用可行性,针对难加工材料508Ⅲ钢的大加工余量,对硬质合金刀具结构进行设计,以最优加工效率和刀具寿命为目标建立切削参数优化模型,利用MATLAB软件编写遗传算法的切削参数优化程序,得出最优参数,并根据切削参数对刀具结构进行设计。最后,对设计优化的硬质合金刀具切削性能进行评价,在实验结果的基础上选择评价指标,基于模糊数学理论,进行综合模糊评价,为重型高效切削及提高加工质量和刀具寿命提供技术支持。
【学位授予单位】：哈尔滨理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM623;TG71
【图文】：

水室,封头

课题来源于国家自然科学基金项目“基于损伤力学刀具失效机理的极效铣削基础研究”(51675145)。课题研究的目的和意义阶段，无论是在航空航天方面，还是化工能源方面，我国都保持较快度，在社会快速发展的过程中，增加了对大型异形零部件的需求，对量、精度等提出了较高的要求。这些零件的重量从几十吨到上百吨且非常复杂，零件的材料大多属于难加工材料[1]，这些大型零部件的工作恶劣，最重要的是，必须经过锻压成型这个阶段才能形成毛坯，但当到锻造技术的约束，不能从整体层面上对大型零部件进行成型锻造，件毛坯进行锻造，使之形成圆柱形、方形等形状，在此基础上进行切最终完成零件加工过程。对大型异形零部件进行切削，从本质上来讲型切削[2-4]，切削参数远远大于普通切削。基于大型异形零部件锻件表、材料性质和形状等，在重型切削加工过程中，刀具选择、研发面临挑战。

筒节,零件加工

哈尔滨理工大学工程硕士学位论文析[11]；傅晓锦等围绕刀具寿命、生产效率等进行研究时，针对切削参数构建模型进行优化分析，运用遗传算法来求解水室封头的最优切削参数，从实际运用的效果来看，明显改善加工过程，效率得到明显提升[12]；张景利等围绕核电节零件展开研究工作，在分析切削参数时充分运用分析、统计手段，取得了具有明显进步意义的研究成果[13]，如图 1-2 所示。对于钛合金和铝合金薄壁整体式结构零件的加工，主要采用数控超高速铣削，如美国 The Boeing Company 以及法国 Dassault aircraft company 两大公司；对于飞机上所需的平面阵列天线挠性陀螺框架、波导管等零件，Hughs Aircraft 在加工过程中充分发挥精密超高速铣削技术的作用，呈现出良好的效果；Mikron 经过不断摸索，成功开发高速铣削加工中心 HSM700，快速进给发生了明显的变化，可达 40m/min。

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