铣削水室封头硬质合金刀具损伤演化过程及失效机理研究

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1、工学博士学位论文铣削水室封头硬质合金刀具损伤演化过程及失效机理研究刘利哈尔滨理工大学2018年03月国内图书分类号：TG501工学博士学位论文铣削水室封头硬质合金刀具损伤演化过程及失效机理研究博士研究生：刘利导师：王彤副导师：程耀楠申请学位级别：工学博士学科、专业：机械制造及其自动化所在单位：机械动力工程学院答辩日期：2018年3月授予学位单位：哈尔滨理工大学ClassifiedIndex:TG501DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringDamageevol

2、utionprocessandfailuremechanismofcarbideinsertduringmillingwaterchamberheadCandidate:LiuLiSupervisor:WangTongAssociateSupervisor:ChengYaonanAcademicDegreeAppliedfor:DoctorofEngineeringSpecialty:MechanicalManufacturingandAutomationDateofOralExamination:March

3、,2018University:HarbinUniversityofScienceandTechnology哈尔滨理工大学博士学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的博士学位论文《铣削水室封头硬质合金刀具损伤演化过程及失效机理研究》，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读博士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完由本人承担。作者签名：刘利日期：2018年3

4、月28日哈尔滨理工大学博士学位论文使用授权书《铣削水室封头硬质合金刀具损伤演化过程及失效机理研究》系本人在哈尔滨理工大学攻读博士学位期间在导师指导下完成的博士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。本学位论文属于保密，在年解密后适用授权书。不保密

5、。（请在以上相应方框内打√）作者签名：刘利日期：2018年3月28日导师签名：王彤日期：2018年3月28日铣削水室封头硬质合金刀具损伤演化过程及失效机理研究摘要水室封头作为核岛蒸发器的关键零件，材料为高强度508Ⅲ钢，工件毛坯为整体锻造成型，尺寸、重量和加工余量均非常大。零件的特大尺寸和加工余量以及材料的特殊难加工性决定了其制造过程为极端制造，主要切削加工方式为重型铣削。材料的难加工性、70%以上的材料去除率以及重型切削参数导致硬质合金刀具在水室封头零件重型铣削过程中失效严重、刀具寿命低。因此，进行水室封

6、头铣削过程刀具损伤演化和失效机理研究，对硬质合金刀具的切削性能和失效进行定性和定量研究，为提高刀具切削性能和零件加工效率提供技术与理论基础。根据水室封头现场重型铣削加工参数，设计实验室条件下的模拟铣削试验，采用测力仪和半人工热电偶法，结合切削仿真技术，确定水室封头重型铣削刀具承受的热-机械载荷特性；在考虑圆形刀具切削区域不规则性和特殊几何参数的前提下，建立圆形刀刃非对称铣削切削力数学模型，并基于切削热源与热传导理论建立刀-屑接触面切削温度模型。通过水室封头现场加工试验，确定刀具的主要失效形式及其损伤演化规律；

7、水室封头材料重型铣削过程中硬质合金刀具承受巨大的热-机械载荷作用，刀具前刀面、后刀面与工件材料发生剧烈的挤压和摩擦，导致刀具前刀面出现严重的月牙洼磨损和后刀面磨损，磨损机理主要包括磨料磨损、扩散磨损和粘结磨损。元素扩散是刀具扩散磨损和粘结磨损的主要因素之一，对刀具-工件间元素扩散进行定量分析，建立元素扩散浓度模型，并进行硬质合金材料与工件材料的元素扩散试验，对模型进行验证；基于主要磨损机理的磨损速率模型，建立月牙洼磨损速率模型，通过试验结果确定刀具月牙洼磨损形貌数据及模型参数，进行刀具磨损预测。进行刀具疲劳和

8、冲击破损形貌研究，分析刀具的损伤状态；基于脆性断裂裂纹扩展理论和Paris疲劳裂纹扩展理论，进行刀具破损过程裂纹的扩展应力条件和疲劳裂纹扩展规律研究，确定刀具的破损条件和形成机理；依据固体本-I-构和损伤力学理论，建立硬质合金刀具材料的损伤本构模型，确定模型耦合的损伤变量；从材料学角度，进行热-机械载荷作用下硬质合金材料性能试验，研究刀具材料的高温力学性能，为刀具损伤过程和失效的定性和定量研究提供数