【摘要】：水室封頭作為核島蒸發(fā)器的關(guān)鍵零件,材料為高強度508Ⅲ鋼,工件毛坯為整體鍛造成型,尺寸、重量和加工余量均非常大。零件的特大尺寸和加工余量以及材料的特殊難加工性決定了其制造過程為極端制造,主要切削加工方式為重型銑削。材料的難加工性、70%以上的材料去除率以及重型切削參數(shù)導(dǎo)致硬質(zhì)合金刀具在水室封頭零件重型銑削過程中失效嚴重、刀具壽命低。因此,進行水室封頭銑削過程刀具損傷演化和失效機理研究,對硬質(zhì)合金刀具的切削性能和失效進行定性和定量研究,為提高刀具切削性能和零件加工效率提供技術(shù)與理論基礎(chǔ)。根據(jù)水室封頭現(xiàn)場重型銑削加工參數(shù),設(shè)計實驗室條件下的模擬銑削試驗,采用測力儀和半人工熱電偶法,結(jié)合切削仿真技術(shù),確定水室封頭重型銑削刀具承受的熱-機械載荷特性;在考慮圓形刀具切削區(qū)域不規(guī)則性和特殊幾何參數(shù)的前提下,建立圓形刀刃非對稱銑削切削力數(shù)學(xué)模型,并基于切削熱源與熱傳導(dǎo)理論建立刀-屑接觸面切削溫度模型。通過水室封頭現(xiàn)場加工試驗,確定刀具的主要失效形式及其損傷演化規(guī)律;水室封頭材料重型銑削過程中硬質(zhì)合金刀具承受巨大的熱-機械載荷作用,刀具前刀面、后刀面與工件材料發(fā)生劇烈的擠壓和摩擦,導(dǎo)致刀具前刀面出現(xiàn)嚴重的月牙洼磨損和后刀面磨損,磨損機理主要包括磨料磨損、擴散磨損和粘結(jié)磨損。元素擴散是刀具擴散磨損和粘結(jié)磨損的主要因素之一,對刀具-工件間元素擴散進行定量分析,建立元素擴散濃度模型,并進行硬質(zhì)合金材料與工件材料的元素擴散試驗,對模型進行驗證;基于主要磨損機理的磨損速率模型,建立月牙洼磨損速率模型,通過試驗結(jié)果確定刀具月牙洼磨損形貌數(shù)據(jù)及模型參數(shù),進行刀具磨損預(yù)測。進行刀具疲勞和沖擊破損形貌研究,分析刀具的損傷狀態(tài);基于脆性斷裂裂紋擴展理論和Paris疲勞裂紋擴展理論,進行刀具破損過程裂紋的擴展應(yīng)力條件和疲勞裂紋擴展規(guī)律研究,確定刀具的破損條件和形成機理;依據(jù)固體本構(gòu)和損傷力學(xué)理論,建立硬質(zhì)合金刀具材料的損傷本構(gòu)模型,確定模型耦合的損傷變量;從材料學(xué)角度,進行熱-機械載荷作用下硬質(zhì)合金材料性能試驗,研究刀具材料的高溫力學(xué)性能,為刀具損傷過程和失效的定性和定量研究提供數(shù)據(jù)和基礎(chǔ)。疲勞是刀具損傷的演化過程,沖擊斷裂隨機發(fā)生在這個過程中,同時也是刀具疲勞破損的最終失效形式。依據(jù)刀具承受的循環(huán)載荷特性和損傷力學(xué),建立其低周和高周疲勞損傷模型,對刀具材料的疲勞演化過程進行數(shù)值描述;采用高溫強度試驗與仿真結(jié)合的方法,確定模型中硬質(zhì)合金材料的損傷參數(shù),并進行刀具疲勞仿真,確定刀具在循環(huán)載荷作用下的疲勞損傷極限;基于經(jīng)典強度理論,建立包含切削參數(shù)的刀具沖擊斷裂判據(jù),為切削參數(shù)優(yōu)選及刀具強度計算提供理論與技術(shù)參考;通過刃口參數(shù)優(yōu)選提升刀具的抗沖擊性能;采用不同硬質(zhì)合金刀具進行水室封頭材料銑削試驗,研究切削參數(shù)對刀具失效的影響,并優(yōu)選切削刀具。
【圖文】：

a) 外球面 b) 內(nèi)球面圖 1-1 水室封頭Fig. 1-1 Water chamber head要 4~5 月的生產(chǎn)周期才能將 200 噸以上的 508Ⅲ鋼毛坯加工成 40封頭，70%左右的材料去除量導(dǎo)致加工效率低、刀具消耗大。然重型切削的刀具種類和型號很少，在水室封頭加工過程中可供選刀具更少，刀具切削性能和壽命無法保證。同時，508Ⅲ鋼為低合切削加工性差，而且重型切削參數(shù)遠遠大于常規(guī)切削，在切削過嚴重，并且由于切削振動明顯，刀具容易發(fā)生過早失效，，導(dǎo)致刀具更換頻率增加，進而增加了輔助加工時間，降低了加工效率，封頭制造成本。室封頭加工現(xiàn)場重型銑削采用的是WIDIA出品的直徑為16mm的(刀盤直徑為 200mm)，如圖 1-2 所示，雖然刀具具有一定切削性是失效問題依然嚴重，針對工件的極大的材料去除量、很低的切的加工周期，需要對刀具切削性能、使用壽命進行提高和優(yōu)化。銑削過程，切削速度為 250~350m/min，進給速度大于 1m/min，

a) 刀盤 b) 刀片圖 1-2 重型銑削刀具Fig. 1-2 Heavy-duty milling tool圖 1-3 水室封頭重型銑削和常規(guī)切削特點對比分析ive analysis of cutting characteristics between heavy-dutchamber head and conventional cutting室封頭銑削刀具失效、損傷演化過程和高效切
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG714

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 陳凌;張賢明;歐陽平;;一種基于連續(xù)損傷力學(xué)的低周疲勞壽命預(yù)測模型[J];中國機械工程;2015年18期

2 李景丹;劉建生;何文武;段興旺;;核電用SA508-3CL鋼的熱成形行為及加工圖[J];塑性工程學(xué)報;2015年04期

3 王新剛;呂春梅;王寶艷;閆明明;;硬質(zhì)合金刀具的動態(tài)可靠性及失效率研究[J];東北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版);2015年06期

4 李會會;易丹青;高躍紅;黃翔;劉會群;趙聲志;張忠健;王斌;彭宇;;WC-Co硬質(zhì)合金沖擊疲勞行為的研究[J];硬質(zhì)合金;2015年01期

5 張穎;李彬;趙廣宇;周俊鵬;劉愛玲;;金屬塑性材料細觀損傷過程聲發(fā)射特性實驗研究[J];中國測試;2015年01期

6 王憶民;李銳;曹群;;碳含量對WC-Ni-Co-Cr硬質(zhì)合金組織與性能的影響[J];硬質(zhì)合金;2014年05期

7 苑立森;寇文飛;劉和亮;鄭飛;;ABAQUS中混凝土材料損傷參數(shù)的研究[J];湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報;2013年05期

8 吉春輝;劉戰(zhàn)強;;納米切削過程中刀-屑接觸區(qū)應(yīng)力分布[J];機械工程學(xué)報;2013年19期

9 張晶;商義葉;潘永智;;超細晶粒硬質(zhì)合金的力學(xué)性能與微觀結(jié)構(gòu)[J];機械制造與自動化;2013年03期

10 姜勇;李中權(quán);鐘益平;陳振華;;WC-Co硬質(zhì)合金疲勞斷裂機制研究[J];粉末冶金技術(shù);2012年05期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前1條

1 程劍兵;鎢鈷類超細硬質(zhì)合金刀具及其切削性能研究[D];北京理工大學(xué);2015年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前4條

1 韓文強;TiN、TiAlN摩擦磨損特性及其涂層刀具、齒輪的性能研究[D];西南大學(xué);2014年

2 萬志強;應(yīng)用損傷力學(xué)研究鋼橋的疲勞破壞[D];重慶交通大學(xué);2012年

3 張鳳武;高強鋼疲勞裂紋擴展研究[D];武漢理工大學(xué);2011年

4 雷斌;TiAlN涂層摩擦學(xué)行為及其銑削性能研究[D];西南交通大學(xué);2006年

本文編號：2671264