CN109318057A - 一种高速切削定向凝固铸造镍基高温合金dz4刀具磨损预测方法 - Google Patents

一种高速切削定向凝固铸造镍基高温合金dz4刀具磨损预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及刀具性能检测技术领域，尤其为一种高速切削定向凝固铸造镍基高温合金DZ4刀具磨损预测方法，本发明对推动难加工材料高速切削技术的深入研究，进一步阐明高应变率条件下刀‑屑界面摩擦学行为描述、力‑热强耦合的作用机理、材料流动应力与应变之间关系的精确描述、材料本构模型的建立与刀具磨损机理，揭示难加工材料高速切削机理，丰富切削理论，补充完善常用工程材料数据库，促进仿真技术，提高制造技术水平具有重要的理论意义和工程价值。

Description

一种高速切削定向凝固铸造镍基高温合金DZ4刀具磨损预测 方法
技术领域
本发明涉及刀具性能检测技术领域，具体为一种高速切削定向凝固铸造镍基高温合金DZ4刀具磨损预测方法。
背景技术
高温合金材料在常温与高温环境下都具有良好的机械性能、抗氧化性能和抗腐蚀性能，在各工业领域尤其是航空航天领域得到越来越广泛的应用。高温合金材料切削时切削力较大、温度高、刀具磨损和加工硬化严重以及断屑困难，属于典型的难加工材料。同时切削过程中出现的切屑形态、切削力、切削温度、刀具磨损等方面都呈现出其独自的规律和特征，使其具有极差的切削加工性。切削过程中刀具的快速磨损是制约高温合金高速切削加工的主要因素，也是目前高温合金加工中亟待解决的技术难题。刀具磨损过快必然会增加刀具消耗，影响加工质量，降低生产率，增大生产成本，通过分析并仿真预测不同切削条件下被切金属材料在剪切变形区的变形过程、刀具与切屑之间的相互作用、切削热的传递过程以及刀具的磨损情况，进而获取难以通过试验得到的高速切削特征数据，方便快速地改变材料特性和切削工艺参数，预测高速切削性能，对优化刀具材料、刀具几何参数和切削工艺参数，降低加工费用，提高切削效率有重要的工程应用价值。
高速切削时形成了热力耦合的强应力场，表现出高温、大应变、高应变率等特点，使得刀具-切屑、刀具-工件的接触作用机理更加复杂。工件材料在刀具作用下第一变形区的剪切滑移、第二变形区的刀-屑界面摩擦学行为和第三变形区已加工表面变质层的形成过程，构成了高速高效切削机理研究的基本框架。在此框架中涉及高应变率条件下材料流动应力与应变之间关系的精确描述与材料本构模型的建立、刀-屑界面摩擦学行为描述与刀具磨损机理、热力强耦合物理建模及其对加工变形等切削机理方面的研究内容。目前，依据材料力学性能实验方法获得的材料流动特性与摩擦磨损特征很难达到符合高速切削的高温、大应变和高应变率的力学状态，无法研究高速切削高温合金的流变特性，很难获得符合高速切削的本构方程，导致切削仿真精度偏低，迫切需要探索能真实反映高速切削材料流变特性的本构方程建模方法，提高高速切削的仿真精度，进而准确预测刀具磨损。可以说切屑形成的力学行为解析与本构关系建模是高速切削的机理性问题，是研究高速切削过程物理仿真的关键，对高速切削力学学科的发展是十分必要，因此，针对上述问题提出一种高速切削定向凝固铸造镍基高温合金DZ4刀具磨损预测方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高速切削定向凝固铸造镍基高温合金DZ4刀具磨损预测方法，对推动难加工材料高速切削技术的深入研究，进一步阐明高应变率条件下刀-屑界面摩擦学行为描述、力-热强耦合的作用机理、材料流动应力与应变之间关系的精确描述、材料本构模型的建立与刀具磨损机理，揭示难加工材料高速切削机理，丰富切削理论，补充完善常用工程材料数据库，促进仿真技术，提高制造技术水平具有重要的理论意义和工程价值,以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高速切削定向凝固铸造镍基高温合金DZ4刀具磨损预测方法，具体操作步骤如下：
1.数据采集；
2.刀具-切屑、刀具-工件接触面摩擦特性试验；
3.摩擦磨损形貌及磨损机理分析；
4.切削刀具磨损模型的建立。
优选的，所述数据采集采用干式、微量润滑及冷风3种氛围的冷却润滑方式进行摩擦磨损和切削试验，切削速度变化范围为40-150m/min，为避免刀具磨损的影响，每做一组试验更换一次刀片，测力仪(Kistler 9255C)采集切削力数据，采用夹丝法的人工热电偶法测量切削温度，选用比较细的康铜丝，在切削时可以形成较小的热结点，提高测温的响应速度，同时可直接获取已加工表面的温度和切削刃口的温度，利用红外热像仪(DM63)测量切削时薄壁外侧的温度场，并根据传热条件推导切削加工面的温度场，获取切削表面温度，切削结束后利用超景深显微镜(Smartzoom5)观察刀具磨损形貌和测量刀具后刀面的磨损量，场发射扫描电子显微镜(FEI Inspect F50)及电子能谱仪观察并分析测量磨损区形貌、微观组织和刀具失效表面元素的分布规律。
优选的，所述刀具-切屑、刀具-工件接触面摩擦特性试验采用高度非均匀应力场和摩擦效应的新方法来研究高速切削过程中的摩擦学，在切削试验条件下获取硬质合金-高温合金的摩擦系数及磨损量，通过摩擦磨损区的微观分析，摩擦磨损区表面的能谱分析，得到摩擦副在不同氛围、不同载荷、温度、摩擦速度状态下摩擦界面的摩擦系数变化规律，具体的，从下列几个方面开展试验研究，探讨多因素条件下的摩擦系数表达式：
1、摩擦系数随时间的变化规律；
2、切削速度对摩擦系数的影响；
3、载荷对摩擦系数的影响；
4、摩擦区温度对摩擦系数的影响；
5、接触面形式对摩擦系数的影响；
6、干式、湿式、微量润滑氛围对摩擦系数的影响；
7、表面形貌对摩擦系数的影响。
优选的，所述摩擦磨损形貌及磨损机理分析运用高速切削基础、热力学和摩擦学理论，采用试验研究法，探讨切削过程中刀具-切屑接触面的摩擦规律以及多因素条件下的摩擦系数变化规律，根据试验获取的磨损形态、磨损机理以及相关文献，建立包含磨粒磨损、粘结磨损及扩散磨损等磨损机理在内的较全面的刀具磨损率计算模型在理论上是可行的，刀具的磨损形态主要表现为前刀面磨损、后刀面磨损及边界磨损，由于高速切削过程比较复杂，多种磨损形态可能同时出现，高温合金是一种难加工材料，在切削过程中，刀具前刀面与切屑、主后刀面与加工表面发生剧烈的摩擦，产生很高的接触压力和温度，在刀具的前、主后刀面及边界都会产生磨损，同时，高温合金材料的塑性好，切削时已加工表面回弹大，副后刀面与工件已加工表面的实际接触面积会有较大增加，从而导致刀具的副后刀面磨损可能比主后刀面磨损更为严重，采用涂层硬质刀具切削高温合金时前刀面、主后刀面和副后刀面的磨损形貌可通过超景深显微镜观察来实现，涂层硬质合金刀具磨损是各种原因相互作用相互影响的结果，涂层硬质合金刀具磨损是各种原因相互作用相互影响的结果，主要的磨损机理有：粘结磨损、磨粒磨损、氧化磨损、扩散磨损和相变磨损。
优选的，所述切削刀具磨损模型的建立结合刀具-切屑、刀具-工件接触面摩擦特性在高温、强应力场作用下的变化规律及内在机理，结合高速切削状态下摩擦界面多因素相互作用的摩擦系数变化规律，可得出综合性磨损率计算模型：
W＝Wr(L,σa)+Wa(t,T)+Wd(t,T)+Wo(t,T)+Wp(t,T)
优选的，综合性磨损率计算模型中：W为总磨损量；Wr为磨粒磨损量；Wa为粘结磨损量；Wd为扩散磨损量；Wo为氧化磨损量；Wp为相变磨损量，L为切削距离；σa为施加应力；t为切削时间；T为切削区温度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：对推动难加工材料高速切削技术的深入研究，进一步阐明高应变率条件下刀-屑界面摩擦学行为描述、力-热强耦合的作用机理、材料流动应力与应变之间关系的精确描述、材料本构模型的建立与刀具磨损机理，揭示难加工材料高速切削机理，丰富切削理论，补充完善常用工程材料数据库，促进仿真技术，提高制造技术水平具有重要的理论意义和工程价值。
附图说明
图1为本发明一种高速切削定向凝固铸造镍基高温合金DZ4刀具磨损预测方法技术路线示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：
一种高速切削定向凝固铸造镍基高温合金DZ4刀具磨损预测方法，具体操作步骤如下：
1、数据采集；
2、刀具-切屑、刀具-工件接触面摩擦特性试验；
3、摩擦磨损形貌及磨损机理分析；
4、切削刀具磨损模型的建立。
进一步，数据采集采用干式、微量润滑及冷风3种氛围的冷却润滑方式进行摩擦磨损和切削试验，切削速度变化范围为40-150m/min，为避免刀具磨损的影响，每做一组试验更换一次刀片，测力仪(Kistler 9255C)采集切削力数据，采用夹丝法的人工热电偶法测量切削温度，选用比较细的康铜丝，在切削时可以形成较小的热结点，提高测温的响应速度，同时可直接获取已加工表面的温度和切削刃口的温度，利用红外热像仪(DM63)测量切削时薄壁外侧的温度场，并根据传热条件推导切削加工面的温度场，获取切削表面温度，切削结束后利用超景深显微镜(Smartzoom5)观察刀具磨损形貌和测量刀具后刀面的磨损量，场发射扫描电子显微镜(FEI Inspect F50)及电子能谱仪观察并分析测量磨损区形貌、微观组织和刀具失效表面元素的分布规律。
进一步，刀具-切屑、刀具-工件接触面摩擦特性试验采用高度非均匀应力场和摩擦效应的新方法来研究高速切削过程中的摩擦学，在切削试验条件下获取硬质合金-高温合金的摩擦系数及磨损量，通过摩擦磨损区的微观分析，摩擦磨损区表面的能谱分析，得到摩擦副在不同氛围、不同载荷、温度、摩擦速度状态下摩擦界面的摩擦系数变化规律，具体的，从下列几个方面开展试验研究，探讨多因素条件下的摩擦系数表达式：
1、摩擦系数随时间的变化规律；
2、切削速度对摩擦系数的影响；
3、载荷对摩擦系数的影响；
4、摩擦区温度对摩擦系数的影响；
5、接触面形式对摩擦系数的影响；
6、干式、湿式、微量润滑氛围对摩擦系数的影响；
7、表面形貌对摩擦系数的影响。
进一步，摩擦磨损形貌及磨损机理分析运用高速切削基础、热力学和摩擦学理论，采用试验研究法，探讨切削过程中刀具-切屑接触面的摩擦规律以及多因素条件下的摩擦系数变化规律，根据试验获取的磨损形态、磨损机理以及相关文献，建立包含磨粒磨损、粘结磨损及扩散磨损等磨损机理在内的较全面的刀具磨损率计算模型在理论上是可行的，刀具的磨损形态主要表现为前刀面磨损、后刀面磨损及边界磨损，由于高速切削过程比较复杂，多种磨损形态可能同时出现，高温合金是一种难加工材料，在切削过程中，刀具前刀面与切屑、主后刀面与加工表面发生剧烈的摩擦，产生很高的接触压力和温度，在刀具的前、主后刀面及边界都会产生磨损，同时，高温合金材料的塑性好，切削时已加工表面回弹大，副后刀面与工件已加工表面的实际接触面积会有较大增加，从而导致刀具的副后刀面磨损可能比主后刀面磨损更为严重，采用涂层硬质刀具切削高温合金时前刀面、主后刀面和副后刀面的磨损形貌可通过超景深显微镜观察来实现，涂层硬质合金刀具磨损是各种原因相互作用相互影响的结果，涂层硬质合金刀具磨损是各种原因相互作用相互影响的结果，主要的磨损机理有：粘结磨损、磨粒磨损、氧化磨损、扩散磨损和相变磨损。
进一步，切削刀具磨损模型的建立结合刀具-切屑、刀具-工件接触面摩擦特性在高温、强应力场作用下的变化规律及内在机理，结合高速切削状态下摩擦界面多因素相互作用的摩擦系数变化规律，可得出综合性磨损率计算模型：
W＝Wr(L,σa)+Wa(t,T)+Wd(t,T)+Wo(t,T)+Wp(t,T)
进一步，综合性磨损率计算模型中：W为总磨损量；Wr为磨粒磨损量；Wa为粘结磨损量；Wd为扩散磨损量；Wo为氧化磨损量；Wp为相变磨损量，L为切削距离；σa为施加应力；t为切削时间；T为切削区温度。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种高速切削定向凝固铸造镍基高温合金DZ4刀具磨损预测方法，具体操作步骤如下：
(1)数据采集；
(2)刀具-切屑、刀具-工件接触面摩擦特性试验；
(3)摩擦磨损形貌及磨损机理分析；
(4)切削刀具磨损模型的建立。
2.根据权利要求1所述的一种高速切削定向凝固铸造镍基高温合金DZ4刀具磨损预测方法，其特征在于：所述数据采集采用干式、微量润滑及冷风3种氛围的冷却润滑方式进行摩擦磨损和切削试验，切削速度变化范围为40-150m/min，为避免刀具磨损的影响，每做一组试验更换一次刀片，测力仪(Kistler 9255C)采集切削力数据，采用夹丝法的人工热电偶法测量切削温度，选用比较细的康铜丝，在切削时可以形成较小的热结点，提高测温的响应速度，同时可直接获取已加工表面的温度和切削刃口的温度，利用红外热像仪(DM63)测量切削时薄壁外侧的温度场，并根据传热条件推导切削加工面的温度场，获取切削表面温度，切削结束后利用超景深显微镜(Smartzoom5)观察刀具磨损形貌和测量刀具后刀面的磨损量，场发射扫描电子显微镜(FEI Inspect F50)及电子能谱仪观察并分析测量磨损区形貌、微观组织和刀具失效表面元素的分布规律。
3.根据权利要求1所述的一种高速切削定向凝固铸造镍基高温合金DZ4刀具磨损预测方法，其特征在于：所述刀具-切屑、刀具-工件接触面摩擦特性试验采用高度非均匀应力场和摩擦效应的新方法来研究高速切削过程中的摩擦学，在切削试验条件下获取硬质合金-高温合金的摩擦系数及磨损量，通过摩擦磨损区的微观分析，摩擦磨损区表面的能谱分析，得到摩擦副在不同氛围、不同载荷、温度、摩擦速度状态下摩擦界面的摩擦系数变化规律，具体的，从下列几个方面开展试验研究，探讨多因素条件下的摩擦系数表达式：
(1)摩擦系数随时间的变化规律；
(2)切削速度对摩擦系数的影响；
(3)载荷对摩擦系数的影响；
(4)摩擦区温度对摩擦系数的影响；
(5)接触面形式对摩擦系数的影响；
(6)干式、湿式、微量润滑氛围对摩擦系数的影响；
(7)表面形貌对摩擦系数的影响。
4.根据权利要求1所述的一种高速切削定向凝固铸造镍基高温合金DZ4刀具磨损预测方法，其特征在于：所述摩擦磨损形貌及磨损机理分析运用高速切削基础、热力学和摩擦学理论，采用试验研究法，探讨切削过程中刀具-切屑接触面的摩擦规律以及多因素条件下的摩擦系数变化规律，根据试验获取的磨损形态、磨损机理以及相关文献，建立包含磨粒磨损、粘结磨损及扩散磨损等磨损机理在内的较全面的刀具磨损率计算模型在理论上是可行的，刀具的磨损形态主要表现为前刀面磨损、后刀面磨损及边界磨损，由于高速切削过程比较复杂，多种磨损形态可能同时出现，高温合金是一种难加工材料，在切削过程中，刀具前刀面与切屑、主后刀面与加工表面发生剧烈的摩擦，产生很高的接触压力和温度，在刀具的前、主后刀面及边界都会产生磨损，同时，高温合金材料的塑性好，切削时已加工表面回弹大，副后刀面与工件已加工表面的实际接触面积会有较大增加，从而导致刀具的副后刀面磨损可能比主后刀面磨损更为严重，采用涂层硬质刀具切削高温合金时前刀面、主后刀面和副后刀面的磨损形貌可通过超景深显微镜观察来实现，涂层硬质合金刀具磨损是各种原因相互作用相互影响的结果，涂层硬质合金刀具磨损是各种原因相互作用相互影响的结果，主要的磨损机理有：粘结磨损、磨粒磨损、氧化磨损、扩散磨损和相变磨损。
5.根据权利要求1所述的一种高速切削定向凝固铸造镍基高温合金DZ4刀具磨损预测方法，其特征在于：所述切削刀具磨损模型的建立结合刀具-切屑、刀具-工件接触面摩擦特性在高温、强应力场作用下的变化规律及内在机理，结合高速切削状态下摩擦界面多因素相互作用的摩擦系数变化规律，可得出综合性磨损率计算模型：
W＝Wr(L,σa)+Wa(t,T)+Wd(t,T)+Wo(t,T)+Wp(t,T)
根据权利要求5所述的一种高速切削定向凝固铸造镍基高温合金DZ4刀具磨损预测方法，其特征在于：式中：W为总磨损量；Wr为磨粒磨损量；Wa为粘结磨损量；Wd为扩散磨损量；Wo为氧化磨损量；Wp为相变磨损量，L为切削距离；σa为施加应力；t为切削时间；T为切削区温度。
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