激光加热辅助车削淬硬钢热-力耦合仿真及白层形成预测研究

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GCr15淬硬钢是一种典型的高强度、高硬度、高耐磨性、具有良好组织稳定性的难切削金属材料,被广泛应用于模具、轴承以及汽车关键零部件的制造。为了解决其难切削问题,近年来学者们用干硬切削技术逐渐取代了传统的磨削技术,加工效率大大提升,但在其已加工表面仍极易形成白层。白层硬而脆的特性易导致零部件表层早期的剥离失效和疲劳裂纹的形成,从而严重影响零部件的表面完整性及服役性能。本文提出采用激光加热辅助车削(Laser-assisted Turning,LAT)技术替代常规干硬车削技术加工淬硬钢,旨在避免白层形成以改善已加工表面完整性。本文主要研究内容包括:(1)基于ABAQUS有限元软件中的DFLUX用户子程序建立了移动激光热源加热淬硬钢材料的瞬态温度场有限元预测模型。依据仿真结果,基于多元线性回归法计算得到最高温度与工件内部测温点温度的经验公式,并研究了不同激光预热参数对测温点温度变化趋势的影响规律,为预热参数的优选提供数据与理论基础。(2)基于ABAQUS中的VDFLUX用户子程序建立了激光加热辅助车削的热-力耦合有限元模型,实现了激光移动热源与刀具在一个仿真分析步内同时加载。基于有限元仿真探讨了激光预热参数对激光加热辅助车削过程中切削温度及其变化速率、切削力、应力及应变等关键参数的影响规律,定性地分析了激光加热辅助车削技术对已加工表面白层形成的抑制作用。同时,微观组织观测分析实验表明,在本文工况下激光加热辅助车削形成的白层内发生了相变与晶粒细化现象。(3)提取激光加热辅助车削的热-力耦合有限元仿真结果中温度、应力、应变能密度数据,结合激光移动热源影响下白层形成临界切削速度(Critical cutting speed of white layer formation,Vwl)预测模型,分析了激光预热参数(如激光功率P、激光光斑大小R以及激光光斑与刀尖点距离L)对白层形成临界切削速度的影响规律,并通过微观观测实验验证了预测结果。预测结果说明激光加热辅助车削在合适的预热参数下可提高白层形成临界切削速度,以改善已加工表面完整性。在优选的激光预热参数下,激光加热辅助车削表面白层形成临界切削速度上限相对于常规干硬车削提高了26.09%。
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