GH4169车削过程的热力耦合作用及残余应力场研究

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1、钐论坛FORUMGH4169车削过程的热力耦合作用及残余应力场研究米姚倡锋1，陈广超1，刘超2，吴宁宁2，黎先才2(1．西北工业大学现代设计与集成制造技术教育部重点实验室，西安710072；2．中航湖南通用航空发动机有限公司，株洲412002)[摘要】镍基高温合金GH4169是一种拥有优良的机械性能及抗腐蚀能力的耐热合金，被广泛应用于航空航天工程等领域，其切削过程因热力耦合作用产生的残余应力对零件的疲劳性能有重要影响。本文采用GH4169车削试验及Defo咖．3D仿真模拟相结合的方法，通过试验的切削力和仿真的温度一应变场对残余应力

2、场的形成机理进行研究。结果表明：刀具磨损对主切削分力和车削温度的影响非常显著，在刀片磨钝过程中，主切削分力由538N增大到756N，剪切区温度由552℃增高到654℃，工件表面的应变由3．3升高到3．5；刀具磨损导致切削力和的温度一应变的增大，致使表面圆周和进给方向的残余拉应力峰值由517MPa、242MPa增大到860MPa、442MPa；表层残余压应力峰值一696MPa、．356MPa增大到．756MPa、．456MPa；残余应力层深度由721xm增大到85I_tm。关键词：外圆车削；Deform．3D；切削力；温度场；应变场

3、；残余应力DOI：10．16080／j．issnl671-833x．2017．1／2．042姚1昌锋博士，教授。研究方向为航空难加工材料切削机理，航空复杂结构加工工艺技术、高速切削机理与工艺技术．表面完整性及抗疲劳制造。t基金项目：“高档数控机床与基础制造装备”(2014zx04012013)。42航空制造技术·2017年第1／2期镍基高温合金GH4169具有优异的高温强度、抗氧化、抗蠕变、抗腐蚀能力和良好的疲劳特性。但其加工性很差，主要表现在切削力大、导热性较差导致的切削温度高、加工硬化程度高，工件表面质量难以保证【l】。零件加

4、工表层的残余应力会对零件的疲劳寿命、蠕变及抗腐蚀性能产生巨大影响，同时残余应力的大小和深度分布情况可以作为加工工艺参数选择的重要标准口]。目前，关于镍基高温合金切削加工残余应力的研究，主要集中于试验方法揭示切削条件与残余应力之间的关系。西北工业大学的刘维伟【31等使用PVD—TiAlN涂层硬质合金刀具进行了GH4169的高速车削试验，发现轴向残余应力表现为压应力，切向残余应力表现为拉应力，减小进给量，降低车削速度可减小车削加工的残余应力，轴向残余应力对进给量最敏感，切向残余应力对切削深度最敏感。燕山大学的刘鲁涛14]对GH4169

5、进行了高速铣削试验，发现选取较高的铣削速度，较小的背吃刀量和每齿进给量，有助于获得较好的表面残余应力状态。Sharman[5l等采用不同的刀具材料及其几何参数和刀具磨损量对镍基高温合金Inconel718进行车削试验，发现刀具磨损对表面的残余应力影响最大。Pusavee【61等研究发现，与微量润滑和干切削相比，在低温冷却条件下车削镍基高温合金Inconel718时，表面粗糙度下降，残余压应力增加，残余压应力层也随之增厚。Schlauer[7】等采用陶瓷刀具正交切削镍基高温合金，切削速度为10m／min、进给量为0．06mm／r时工

6、件表面产生小的残余压应力；当切削速度MachjningTechn咖gyfoⅢ胁n-I。．cucM。IenaI难加工材料加工技术为410m／min、810m／min时，在工件表层存在一个残余拉应力的薄层，已加工表面上的残余拉应力最大。工件次表层为残余压应力区域，该残余压应力层的厚度数倍于拉应力层的厚度。Cai【81等研究表明，当铣削速度从20m／min增加到80m／min时，工件表面的残余拉应力迅速增大。Arunachalam【91等发现，CBN刀具产生的残余应力对切削速度的变化很敏感，以150．225m／min端面车削镍基高温合金

7、Inconel718后表面形成残余压应力，而300—375m／min时表面形成残余拉应力。Devillez【l0】等采用涂层硬质合金刀具以切削速度40。80m／min在干切削和添加冷却液两种不同条件下车削Inconel718，结果表明在相同速度下干切削时表面残余拉应力更大。Aspinwall【l”等进行了顺铣Inconel718试验，当刀具磨损时，工件表面残余拉应力增大，而且随着刀具磨损量的增加，工件材料残余应力层变深。综上所述，国内外学者针对GH4169在机械加工中产生的残余应力进行了大量研究，从理论和试验角度，获得了不同切削条

8、件对残余应力的影响的成果，但关于GH4169切削过程中热力耦合作用及其对残余应力的形成机理的研究还很少。本文针对硬质合金刀具对GH4169的外圆车削，采用试验和仿真相结合的方法，从车削力、温度和等效应变3个方面综合研究GH4169车削热力耦合作用下