水室封头材料加工刀具力热特性及失效分析

摘要

水室封头是核电装置的重要组成部分，其加工过程中由于其毛坯表面缺陷很多，且切削用量与普通切削相比较大，水室封头材料508Ⅲ钢具有高强度，良好的低温冲击韧性，使得加工过程中的切削力较大，切削温度较高，刀具失效情况比较严重，造成加工效率低下。基于上述问题对水室封头材料加工刀具力热特性及失效进行研究。
　　首先，进行水室封头材料加工刀-屑接触区力学特性分析。在建立铣削力坐标系转换的基础上，进行水室封头材料的铣削试验，建立切削力的经验公式和刀-屑接触面积公式，从而建立并分析刀具前刀面受力密度函数，为后续仿真提供边界条件。
　　其次，进行水室封头材料加工切削温度特性研究。通过对剪切面平均温度进行分析并对刀-屑接触区的产热量配比进行计算，建立前刀面切削温度解析模型，构建刀-屑接触区的热流密度函数，为有限元仿真建立边界条件;进而采用夹丝半人工热电偶法进行铣削温度测量试验，建立切削温度的经验模型，并对铣削温度模型进行显著性检验，验证模型的合理性和有效性。
　　进而，对水室封头材料铣削过程及热-力耦合场下的载荷特性进行仿真分析。利用切削仿真软件进行铣削过程的模拟仿真，探究采用硬质合金刀具进行水室封头材料铣削加工过程中的切削力、切削温度布和切屑形成过程等特性，并与试验结果进行对比分析;进行温度场-应力场耦合作用下的铣刀总变形及应力应变分布特性研究，并对铣削加工刀片进行应力应变及疲劳仿真分析，为探究力热共同作用下水室封头材料加工刀具切削性能分析提供参考依据。
　　最后，对铣削水室封头的刀具进行失效分析。采用硬质合金刀片进行铣削试验，在研究切削参数对刀具力热影响变化规律的基础上，探究不同载荷对铣刀片失效的影响方式;采用不同硬质合金刀片进行切削试验，基于寿命分析对切削刀片进行了优选，并开发设计了适合水室封头材料加工的新型刀片。
　　研究水室封头材料加工过程中硬质合金刀具所受到的载荷特性，并对刀具失效形式进行分析，为刀具损伤机理分析提供一定的理论依据和试验基础，对水室封头材料高效铣削及刀具开发设计提供一定的参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题来源和目的意义

1．1．1 课题来源

1．1．2 研究目的和意义

1．2 国内外研究现状及分析

1．2．1 切削力及切削温度研究现状

1．2．2 国内外关于刀具失效机理的研究现状

1．2．3 硬质合金刀具失效研究现状

1．2．4 有限元仿真在切削加工中的应用

1．3 主要研究内容

第2章 水室封头加工刀一屑接触区力学特性研究

2．1 水室封头加工铣削力模型构建

2．1．1 铣削加工的切削角度分析

2．1．2 不同坐标下铣削力转换

2．2 水室封头加工刀-屑接触区切削力几何表征

2．3 水室封头加工刀具切削力经验公式的建立

2．3．1 切削力单因素试验及影响因素分析

2．3．2 切削力试验设计

2．3．3 切削力模型的检验

2．4 水室封头加工刀具受力密度函数的建立

2．4．1 刀-屑接触面积试验公式的建立

2．4．2 刀具受力密度函数解析模型

2．4．3 受力密度函数数值描述

2．5 本章小结

第3章 水室封头加工切削温度特性研究

3．1 刀具前刀面切削温度模型的建立

3．1．1 剪切面平均温度解析

3．1．2 刀-屑接触区产热量计算及其热量分配比求解

3．2．1 刀具前刀面热流密度求解

3．2．2 硬质合金刀具温度场模型

3．2．3 刀具前刀面受热密度函数

3．2 水室封头材料铣削温度试验研究

3．2．1 铣削试验温度测量方案

3．2．2 试验条件

3．3．3 热电偶冷端补偿及分度

3．3．4 试验结果及分析

3．3 铣削温度解析模型建立及验证

3．3．1 铣削温度经验公式的建立

3．3．2 铣削温度经验模型的显著性检验

3．4 本章小结

第4章 水室封头材料切削过程及热．力耦合仿真分析

4．1 切削仿真的关键技术

4．1．1 材料的本构方程建立

4．1．2 切屑分离准则模型建立

4．1．3 铣削过程的热交换及刀具磨损

4．2 5水室封头材料铣削过程仿真

4．2．1 切削仿真前处理

4．2．2 铣削力仿真结果及分析

4．2．3 切屑生成过程

4．2．4 切削温度仿真结果及分析

4．2．5 温度仿真结果与试验对比分析

4．3 基于ANSYS的刀具热．力耦合有限元分析

4．3．1 铣刀载荷及边界条件的确定

4．3．2 铣刀的温度场仿真结果及分析

4．3．3 铣刀热-力耦合场仿真结果及分析

4．3．4 硬质合金刀片应力应变分析

4．3．5 水室封头加工刀片疲劳仿真分析

4．4 本章小结

第5章 水室封头材料加工硬质合金刀具失效研究

5．1 刀具失效试验及分析

5．1．1 刀具磨损试验研究

5．1．2 等材料去除率下的刀具寿命研究

5．1．3 切屑形貌对比

5．2 刀具失效机理分析

5．2．1 刀具破损试验及分析

5．2．2 不同切削深度下的刀具失效机理分析

5．2．3 不同速度下刀具失效机理分析

5．3 水室封头材料加工刀具优选

5．3．1 试验设计

5．3．2 试验结果分析

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢