高效切削镍基高温合金刀具槽型设计及断屑机理研究.pdf

摘要

摘要

镍基高温合金GH4169是一种难加工材料，但其出色的性能使得它在航空

航天和电力等多个领域得到广泛应用。这种合金由于具备卓越的热稳定性、极

佳的耐疲劳性、优异的耐腐蚀性和耐氧化性，从而成为热门材料之一。但是在

加工GH4169的过程中，由于晶体结构复杂的特点，切削第一变形区也存在应

力应变较为集中的情况，进一步导致产生的切削力较大且波动不稳定。并且其

导热性差，刀屑接触界面温度高，导致材料的塑性更大，产生的切屑难折断，

因此在切削镍基高温合金GH4169时，如何使切屑高效折断显得尤为重要。

首先通过对切屑断裂机理的分析，研究切屑的形成过程、卷曲和折断过程，

对锯齿形切屑的形成原因进行分析。通过对刀具槽型参数的理论计算，探究不

同断屑槽型刀具对切屑的控制能力，对不同断屑槽型刀具、不同切削用量下的

刀具磨损程度进行分析。

通过分离式霍普金森压杆（SHPB）实验，研究了镍基高温合金GH4169材

料在高应变率和高温情况下的热变形行为，包括温度与应变率对材料屈服应力

的影响。根据SHPB实验结果计算JC本构模型的参数，建立镍基高温合金

GH4169的本构模型。

通过高速切削实验，对不同断屑槽型刀具的切削能力进行比较。通过对比

切削过程中的切削力、切屑形貌来研究不同刀具的性能。实验表明，圆弧形断

屑槽刀具的切削能力和切屑控制能力最好。通过有限元仿真对切削过程进行模

拟，对切削过程中的等效应力、应变率、温度进行分析。仿真结果表明：圆弧

形断屑槽刀具的切削表现最好，切屑有着较大的卷曲半径、较低的切削温度。

通过正交试验设计，以断屑槽宽L、刀尖棱带宽度br以及断屑槽深H为优化因

素，以被加工材料的屈服应力、应变率、切削温度和切削力为评价指标，得出

优化后的断屑槽尺寸参数。

根据切削实验结果观测刀具磨损形貌并分析刀具磨损类型、阶段，结合有

限元仿真，以刀具表面的磨损量、刀具表面的磨损分布区域为主要评判依据，

研究不同断屑槽型刀具以及不同切削用量对刀具磨损程度的影响规律。其中圆

弧形断屑槽刀具的磨损量较大，刀具表面的应力主要集中在刀尖及刀具后刀面

部分，切削速度的大小对刀具的磨损程度影响最大。

关键词：镍基高温合金GH4169断屑机理刀具磨损屈强比有限元仿真

I

Abstract

Abstract

Inconel718isadifficultmaterialtoprocess,butitsexcellentpropertiesmakeit

widelyusedinmanyfieldssuchasaerospaceandelectricpower.Thisalloyhasbecome

oneofthepopularmaterialsduetoitsexcellentthermalstability,excellentfatigue

resistance,excellentcorrosionresistanceandoxidationresistance.However,inthe

processofmachiningInconel718,duetothecharacteristicsofcomplexcrystal

structure,thestressandstrainareconcentratedinthefirstdeformationzoneofcutting,

whichfurtherleadstolargecuttingforceandunstablefluctuation.Moreover,itspoor

thermalconductivityandhi