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预应力切削刀具磨损的有限元—离散元模拟及试验研究

陆芳  
【摘要】:GH4169镍基高温合金因其良好的高温性能被广泛应用于国防军事、核研究以及航空航天等领域。但同时,其加工性能差,这种高温合金硬度高、导热性差导致在切削加工过程中切削加工温度较高,切削力相对较大,因此在切削加工中刀具会不可避免的产生较为严重的摩擦磨损。简单的对其进行切削加工造成零件加工表面出现残余拉应力,从而导致零件的疲劳强度降低,降低其耐腐蚀性能,零件的已加工表面的质量较差,预应力切削加工可以改善表面残余应力情况以及已加工表面质量。本文用有限元-离散元耦合数值模拟结合实验的方法,对陶瓷刀具预应力切削加工镍基高温合金环件GH4169进行了实验及模拟分析,主要研究陶瓷刀具的磨损。主要研究内容如下: 1.介绍了论文研究的背景以及意义,对高温合金切削加工性能、有限元法离散元法以及有限元-离散元耦合法在金属切削加工中的应用、刀具磨损研究现状进行了简要介绍。 2.建立了YS8硬质合金刀具切削加工GH4169的有限元模型,模拟分析切削加工中切削力、Mises应力、温度等分布情况,设计预应力加载装置,进行YS8刀具预应力切削GH4169实验,提取切削力,验证有限元模型,为离散元-有限元耦合奠定基础。 3.对离散元法及建模步骤进行了简单介绍,分别介绍了陶瓷刀具Sialon以及镍基高温合金GH4169的离散元建模流程,通过三点弯曲、单轴压缩、单边切口梁等力学测试实验调整及验证所建立模型微观参数;在建模的过程中,加入温度分析,同时应用周期性边界对切屑的流动进行建模。 4.建立有限元-离散元耦合模型,先建立Sialon陶瓷刀具切削加工镍基高温合金GH4169有限元模型,再提取耦合的边界条件包括受力、速度、温度等,再将耦合边界加载至离散元模型实现离散元-有限元耦合。观察并分析模拟结果,观察统计刀具裂纹产生及扩展情况,统计刀具磨损量磨损率,研究不同切削参数以及预应力对刀具磨损的影响,分析刀具磨损形貌及磨损机理,最后进行实验验证耦合模型的准确性及可行有效性。 5.总结本文所研究的内容,对进一步的研究分析进行展望。


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