典型難加工材料力學(xué)行為基礎(chǔ)研究及其切削工藝應(yīng)用.pdf

1、鈦合金、鎳基高溫合金和超高強(qiáng)度鋼等三類材料由于具有高強(qiáng)度、高硬度、低熱導(dǎo)率或塑性好等特性，因而在機(jī)械加工領(lǐng)域均屬于難加工材料行列。也正因?yàn)檫@些特性，這幾類材料在航空、航天、汽車、能源、制造、發(fā)電等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。本文以常用于制造航天零部件的鈦合金、鎳基高溫合金和超高強(qiáng)度鋼這三類難加工材料作為研究對(duì)象，以其切削工藝在航天零件加工中獲得實(shí)際應(yīng)用為研究目標(biāo)，對(duì)TC4與TC11鈦合金、GH4169鎳基高溫合金和30CrMnSiNi2A超高

2、強(qiáng)度鋼等四種典型材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)變形行為、材料的本構(gòu)建模與有限元仿真、鋸齒形切屑的變形機(jī)制等問題進(jìn)行了研究，分析了這四種難加工材料在動(dòng)態(tài)力學(xué)變形行為和切屑形成過程上的共性和差異性，對(duì)其在不同航天典型零件加工工藝中的關(guān)鍵共性技術(shù)問題進(jìn)行了探討。
　　首先，本文研究了TC4與TC11鈦合金、GH4169鎳基高溫合金和30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為。通過大量的SHPB實(shí)驗(yàn)獲得了這四種材料在不同應(yīng)變率和不同溫度條件下的動(dòng)態(tài)

3、力學(xué)變形行為，對(duì)其在高應(yīng)變率、高溫下的應(yīng)變硬化現(xiàn)象、應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)和熱軟化現(xiàn)象進(jìn)行了對(duì)比分析。研究結(jié)果表明，雖然TC11和TC4均為α+β雙相鈦合金，但是它們的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為不盡相同：TC11鈦合金的應(yīng)變硬化效應(yīng)和應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)不明顯，而溫度效應(yīng)顯著；TC4鈦合金在實(shí)驗(yàn)溫度低于500℃時(shí)應(yīng)變硬化現(xiàn)象明顯，高于500℃時(shí)則表現(xiàn)出顯著的熱軟化效應(yīng)。GH4169鎳基高溫合金的應(yīng)變硬化效應(yīng)較強(qiáng)，對(duì)應(yīng)變率和溫度不敏感。應(yīng)變率對(duì)GH4169的顯微組織

4、的影響要超過溫度的影響，因此其塑性變形會(huì)隨著應(yīng)變率的增大而增強(qiáng)。30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼具有顯著的溫度敏感性。同時(shí)，隨著溫度的上升，該材料的應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)和應(yīng)變硬化效應(yīng)會(huì)有所減弱，高應(yīng)變率時(shí)流動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變的增加趨于不變。
　　其次，在上述研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用應(yīng)用較廣的J-C本構(gòu)模型對(duì)所選用的四種典型難加工材料進(jìn)行建模，獲得了本文中四種難加工材料的修正后的J-C本構(gòu)模型。并利用擬合應(yīng)力值與實(shí)驗(yàn)值相對(duì)比對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，修正

5、后的J-C本構(gòu)模型能夠較好地描述它們的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為。
　　在上述動(dòng)態(tài)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，本文對(duì)切削過程中獲得的TC4與 TC11鈦合金、GH4169鎳基高溫合金和30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼的鋸齒形切屑的形成機(jī)理進(jìn)行了研究。通過大量的銑削實(shí)驗(yàn)，對(duì)這四種難加工材料的切屑形態(tài)進(jìn)行了分析，討論了切削速度和每齒進(jìn)給量對(duì)其切屑形貌的影響，提出了這四種不同類型的工件材料形成鋸齒形切屑的臨界速度。針對(duì)鋸齒形切屑形成機(jī)理之爭，本文研究了這四種

6、難加工材料不同的切屑形成機(jī)理。主要研究結(jié)果如下：
　　隨著切削速度vc的增加，TC4鈦合金的切屑形態(tài)有一個(gè)從發(fā)條形到C形屑再成為長條狀的變化過程。每齒進(jìn)給量 fz對(duì) TC4切屑形態(tài)的影響同切削速度 vc具有類似的規(guī)律。側(cè)銑TC4鈦合金時(shí)，在20m/min時(shí)即可產(chǎn)生鋸齒形切屑（每齒進(jìn)給量fz為0.05mm/z、刀具切削前角γo為-6°）。TC11與 TC4鈦合金的切屑形態(tài)變化具有類似的規(guī)律，但其表現(xiàn)得更明顯。TC11鈦合金產(chǎn)生鋸齒形

7、切屑的臨界切削速度vc0為80m/min。切削速度vc和材料本身的物理力學(xué)特性對(duì)GH4169鎳基高溫合金的切屑形態(tài)影響較大，在側(cè)銑時(shí)其形態(tài)會(huì)由低速時(shí)的短條狀逐漸向C形切屑轉(zhuǎn)變。GH4169鎳基高溫合金產(chǎn)生鋸齒形切屑的臨界切削速度vc0為100 m/min。當(dāng)切削速度vc不斷增大時(shí)，30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼的切屑形態(tài)均為螺旋狀，每齒進(jìn)給量fz的增大使得切屑形態(tài)從螺旋形向發(fā)條形轉(zhuǎn)變。30CrMnSiNi2A超高強(qiáng)度鋼產(chǎn)生鋸齒形切屑

8、的臨界切削速度vc0為115 m/min。對(duì)于這四種材料，較低的進(jìn)給速度和較高的切削速度即可使切屑鋸齒化。
　　TC11、TC4、GH4169和30CrMnSiNi2A四種材料的鋸齒形切屑形成機(jī)理不盡相同。在切削速度vc增大的過程中，TC4、GH4169和30CrMnSiNi2A均出現(xiàn)了絕熱剪切現(xiàn)象，它們的切屑鋸齒化主要是由于絕熱剪切造成的。對(duì)于TC11鈦合金，切屑鋸齒化在低速段（80m/min）表現(xiàn)為周期性斷裂，而在高速時(shí)，側(cè)銑