【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(qiáng)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(guò)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(guò)程中失效嚴(yán)重、刀具壽命低。因此,進(jìn)行水室封頭銑削過(guò)程刀具損傷演化和失效機(jī)理研究,對(duì)硬質(zhì)合金刀具的切削性能和失效進(jìn)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(chǎng)重型銑削加工參數(shù),設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室條件下的模擬銑削試驗(yàn),采用測(cè)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(jī)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(duì)稱(chēng)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(guò)水室封頭現(xiàn)場(chǎng)加工試驗(yàn),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(guò)程中硬質(zhì)合金刀具承受巨大的熱-機(jī)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(yán)重的月牙洼磨損和后刀面磨損,磨損機(jī)理主要包括磨料磨損、擴(kuò)散磨損和粘結(jié)磨損。元素?cái)U(kuò)散是刀具擴(kuò)散磨損和粘結(jié)磨損的主要因素之一,對(duì)刀具-工件間元素?cái)U(kuò)散進(jìn)行定量分析,建立元素?cái)U(kuò)散濃度模型,并進(jìn)行硬質(zhì)合金材料與工件材料的元素?cái)U(kuò)散試驗(yàn),對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證;基于主要磨損機(jī)理的磨損速率模型,建立月牙洼磨損速率模型,通過(guò)試驗(yàn)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(jìn)行刀具磨損預(yù)測(cè)。進(jìn)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(kuò)展理論和Paris疲勞裂紋擴(kuò)展理論,進(jìn)行刀具破損過(guò)程裂紋的擴(kuò)展應(yīng)力條件和疲勞裂紋擴(kuò)展規(guī)律研究,確定刀具的破損條件和形成機(jī)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(jìn)行熱-機(jī)械載荷作用下硬質(zhì)合金材料性能試驗(yàn),研究刀具材料的高溫力學(xué)性能,為刀具損傷過(guò)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(guò)程,沖擊斷裂隨機(jī)發(fā)生在這個(gè)過(guò)程中,同時(shí)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(duì)刀具材料的疲勞演化過(guò)程進(jìn)行數(shù)值描述;采用高溫強(qiáng)度試驗(yàn)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(jìn)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(qiáng)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(qiáng)度計(jì)算提供理論與技術(shù)參考;通過(guò)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(jìn)行水室封頭材料銑削試驗(yàn),研究切削參數(shù)對(duì)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(lèi)和型號(hào)很少，在水室封頭加工過(guò)程中可供選刀具更少，刀具切削性能和壽命無(wú)法保證。同時(shí)，508Ⅲ鋼為低合切削加工性差，而且重型切削參數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)切削，在切削過(guò)嚴(yán)重，并且由于切削振動(dòng)明顯，刀具容易發(fā)生過(guò)早失效，，導(dǎo)致刀具更換頻率增加，進(jìn)而增加了輔助加工時(shí)間，降低了加工效率，封頭制造成本。室封頭加工現(xiàn)場(chǎng)重型銑削采用的是WIDIA出品的直徑為16mm的(刀盤(pán)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(wèn)題依然嚴(yán)重，針對(duì)工件的極大的材料去除量、很低的切的加工周期，需要對(duì)刀具切削性能、使用壽命進(jìn)行提高和優(yōu)化。銑削過(guò)程，切削速度為 250~350m/min，進(jìn)給速度大于 1m/min，

a) 刀盤(pán) 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(diǎn)對(duì)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(guò)程和高效切
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TG714

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2671264