重型切削水室封头材料刀具粘结失效机理研究

发布时间：2020-07-01 11:44

【摘要】：水室封头是核电核岛蒸发器的关键零部件，其尺寸与重量比较大，水室封头切削加工时，材料去除量非常大，制造周期长，切削加工过程中背吃刀量和进给量很大，导致刀具失效严重、使用寿命低。并且水室封头材料为高强度低碳合金508Ⅲ钢，塑性高、高温力学性能好，切削刀具粘结失效尤为突出。首先，进行水室封头材料切削加工性研究及刀具失效形式分析。在实验室条件下进行508Ⅲ钢、2.25Cr-1Mo-0.25V钢、42CrMo钢和45钢的切削实验；通过对比在相同切削条件下四种钢材的切削力、切削温度和刀具寿命，进行水室封头材料508Ⅲ钢的切削加工性研究；并且对508Ⅲ钢切削过程中刀具的失效形式进行分析。其次，进行重型切削水室封头材料刀具粘结失效机理分析。利用仿真软件分别进行508Ⅲ钢的重型切削和普通切削过程仿真，对比分析仿真过程中的切削力和切削温度；从材料学角度，采用SCS、WF和YT15三种硬质合金材料进行高温力学实验，对比分析热-力作用下硬质合金的硬度、抗弯强度、断裂韧性和线膨胀特性，研究热-力作用下硬质合金刀具材料的力学特性；进行水室封头材料所用重型切削刀具的粘结失效机理研究，揭示刀-屑粘结实质，从宏观和微观两个方面分析刀具粘结失效机理。然后，进行粘结层元素扩散定量描述并建立刀-屑粘结判据。应用菲克定律对刀-屑粘结过程进行定量描述，建立工件材料元素向刀具材料扩散的浓度模型；通过水室封头材料与硬质合金刀具材料的元素扩散实验，验证元素扩散浓度模型的有效性；提出刀具粘结失效判据，为预测刀具粘结失效提供判断依据。最后，进行水室封头切削加工工艺参数优化，提出刀具粘结失效预防措施。通过切削参数对切削力、切削温度和刀具寿命的影响分析，进行重型切削参数的优化；针对重型硬质合金刀具切削水室封头材料容易产生粘结失效的问题，进行刀具材料优选、刀具结构优化设计，并提出刀具的抗高温措施，并对优化后的重型切削刀片与传统刀片的使用寿命进行对比分析。
【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】：2014
【分类号】：TM623;TG71
【图文】：

水室,封头,外球

b) 水室封头内球面图 1-1 水室封头Fig.1-1 Water chamber heada) 水室封头外球面国、德国、法国以及原苏联等国家曾对大型难加工材料零部件进实验，开发出专用刀具及其切削技术，但国内的刀具技术落后于家，并且重型切削刀具技术领域没有得到足够的重视，可选择的重型切削刀具非常少。因此，进行高效切削水室封头加工刀具技术核电重大工程项目建设将具有重要现实意义和战略意义。室封头切削加工现状前国内虽然有少数企业能进行核电站用核岛蒸发器水室封头的加技术远落后于发达国家的技术水平。水室封头是通过由 508Ⅲ钢锻工而成，切削加工方式主要有车削和铣削两种，如图 1-2 所示，球面和外球面支管以下的部分是通过在 6 米大型立式车床上进行，外球面的复杂曲面及支管部分是在镗铣床上进行重型铣削加工

水室,封头,重型车,铣削

图 1-2 水室封头重型切削Fig.1-2 Heavy-duty cutting of water chamber heada) 水室封头重型车削 b) 水室封头重型铣削中国一重的现场调研，水室封头加工用的重型切削刀片如图3a)是传统焊接式硬质合金重型车削刀片，刀片切削刃长 40m切削刃，刀片主体为高速钢，切削部分为硬质合金，没有涂被广泛应用于重型车削粗加工过程中，但是在大型难加工材片失效非常严重，刀具寿命低。图 1-3b)是重型铣削刀片，公司的重型仿形铣刀片，刀片直径为 16mm，主要进行水室面的仿形铣削和支管内外径的加工，此刀片采用 PVD 涂层减小磨损和热冲击对刀片寿命的影响。在水室封头重型车削失效很严重，图 1-3c)为焊接式硬质合金刀片的粘结失效。

【引证文献】