【摘 要】
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镍基高温合金GH4169因具有良好的热强性能、热稳定性能以及热疲劳性能,而广泛应用于航空、航天、船舶及化学工业中,发动机的转子组件如压缩机盘、线轴以及涡轮盘、压缩机叶片和动力驱动轴等多数是由这种合金制造的。GH4169是典型的难加工材料,主要表现为:切削力大、切削温度高、刀具磨损剧烈、加工硬化、粘刀现象严重、排屑困难等特点,这些因素制约了GH4169获得良好的表面质量和较高的加工效率。因此GH41
【基金项目】
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国家自然科学基金项目:“脉冲电流协同超声振动辅助切削镍基高温合金切削机理与工艺基础研究”(项目编号:52275404); 吉林省科技计划项目:“高速切削镍基合金加工表面形成机理与工艺技术”(项目编号:20210201043GX); 吉林省教育厅科学技术研究项目:“硬质合金刀具高速切削钛合金摩擦磨损机理研究”(项目编号:JJKH20
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镍基高温合金GH4169因具有良好的热强性能、热稳定性能以及热疲劳性能,而广泛应用于航空、航天、船舶及化学工业中,发动机的转子组件如压缩机盘、线轴以及涡轮盘、压缩机叶片和动力驱动轴等多数是由这种合金制造的。GH4169是典型的难加工材料,主要表现为:切削力大、切削温度高、刀具磨损剧烈、加工硬化、粘刀现象严重、排屑困难等特点,这些因素制约了GH4169获得良好的表面质量和较高的加工效率。因此GH4169切削加工机理研究对提高加工质量和应用范围有十分重要的意义。根据GH4169微观组成结构,从微观领域重点研究镍基高温合金GH4169基体相和强化相的变形和断裂机理。发现切削GH4169时基体相主要发生塑性变形,强化相主要发生弹性变形,并且强化相是主要断裂源。通过位错密度演化机理,研究切削GH4169时应力-应变关系;建立考虑应变率、位错密度、应变梯度、稳态应力、切削温度等参数影响的本构模型,模型平均相对误差为4.26%。通过小范围屈服理论研究强化相裂纹尖端形貌和断裂机制,研究基体相位错滑移对强化相断裂影响;通过引入相场变量,建立能量泛函,研究切削过程中两相间的相互作用,最终得出切削GH4169时锯齿形切屑的形成过程,从微观领域阐释了锯齿形切屑形成机理。通过刀具磨损实验,研究切削GH4169刀具主要磨损形貌和失效形式;根据切屑冲击刀具时刀-屑界面粘着物微变形和微观滑动,提出粘滑冲蚀磨损机理:切削加工时,切屑表面微凸体粘着在刀具表面并发生微观塑性变形,切屑沿刀具表面的粘滑运动对刀具产生类似液体般冲蚀,切屑粘滑冲蚀磨损是刀具切削镍基高温合金的主要磨损形式。切屑冲击刀具在刀尖处产生两个绝热区,绝热冲击区I易产生裂纹使刀具破损,在刀具表面留下片层和凹坑。绝热剪切带II使切屑呈锯齿状,形成锯齿形切屑。通过研究切屑粘滑冲蚀刀具后的主要磨损形貌和产生机理认为:唇是粘滑冲蚀的典型形貌特征,但数量很少;微凸体冲击唇剪切断裂形成的凹坑和绝热冲击区胞界裂纹断裂产生的片层是冲蚀磨损后的主要形貌。通过单因素切削实验研究切削用量对表面粗糙度的影响规律,并确定影响表面粗糙度的主要因素,实验表明GH4169热强热硬特性对加工表面质量有很重要的影响,加工硬化会加剧刀具磨损导致表面粗糙度变大。采用高斯过程回归方法建立了以切削速度、切削深度、进给量、刀具前角为输入变量,表面粗糙度为输出变量的多元高斯过程回归表面粗糙度预测模型,通过普适化描述方式使所建模型具有很好的可移植性和可复制性,预测模型的最大相对误差和平均相对误差分别为:2.7%和1.5%。利用白光干涉仪扫描切削工件表面,获取20×40=800个采样点与基准面绝对高度,计算表面粗糙度均值和方差,提出一种比例超参数独立可调的多元核函数建模方法,通过比例超参数表征工艺参数对表面粗糙度的影响程度。研究得出比例超参数对工艺参数的影响规律:当比例超参数越小时,对应的工艺参数对表面粗糙度影响越大。通过比例超参数确定了工艺参数对表面粗糙度影响程度从大到小依次为:进给量、切削深度、切削速度、刀具前角,并通过实验研究验证了以上结论。
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