高速内冷湿式加工刀具热淬破损机理研究

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切削热与刀具使用寿命密切相关,在高速铣削过程中,冷却液使得刀具在切削与空切的周期循环过程中承受了剧烈的冷热交变冲击作用,这种交变的冲击作用极易引起刀具的破损失效。因此,获得高速内冷湿式加工中刀具切削温度的变化规律就可以揭示刀具热淬破损机理。目前切削中研究刀具破损主要存在下列问题:几何建模多为简化的二维模型;温度场理论计算结果多为刀具某个面的平均温度,而能够获悉刀具切削区所形成的温度梯度对于揭示刀具破损失效至关重要;铣削刀具的连续温度通过热流循环加载获得,这与实际的切削热生成存在误差。本文运用仿真与实验相结合的研究方法,对高速湿式铣削过程刀具的热淬破损问题进行了深入研究,揭示了刀具热淬破损机理。  首先,基于仿真建模的工件材料本构模型、刀—屑接触摩擦模型和流体介质的对流换热特性,建立三维干、湿式铣削模型。提取后刀面测温点处的温度时间曲线发现干式铣削刀具切入的温度峰值和切出的温度最小值都在快速升高,随后达到稳态。湿式铣削刀具切入的温度峰值上升缓慢,切出后迅速降到室温。提取的底刃和侧刃处单元的温度时间曲线表明:刀尖处温度波动幅度最大,底刃和侧刃处离刀尖越远的方向温度波动幅度逐渐减小;湿式铣削的底刃和侧刃处在远离刀尖的方向形成了比干式铣削更大的温度梯度,湿式铣削比干式铣削的刀具承受了更大的冷热不均匀性;湿式铣削的刀尖处温度波动幅度大于干式铣削,刀尖部位承受了比干式铣削更剧烈的冷热交变冲击作用。  其次,采用嵌入式测温刀柄获得了刀具后刀面一点的连续实时切削温度。结果发现干式铣削的后刀面温度上升很快且比湿式铣削的刀具温度高,湿式铣削的温度波动幅度大于干式铣削,切合仿真结果,仿真模型的准确性被证实。此外,通过测温实验还发现随着切削速度的增加,干式铣削的刀具温度峰值增长幅度不变,而湿式铣削的刀具温度峰值增加幅度逐渐减小。  最后,通过分析研究高速内冷铣削完成后立铣刀表面破损形貌,发现随着切削速度的升高,立铣刀表面靠近刃口的位置产生了比较碎的交错裂纹。将刀体施加仿真的温度场结果,进而得出刀具的热应力。通过对比干式与湿式铣削的刀具热流,发现干式铣削的热流主要传递到刀体内部,而湿式铣削的热流主要传递到周围介质中去。研究发现最大热拉应力已经达到了硬质合金材料的抗拉强度范围。循环交变热冲击会助长刀具热淬性裂纹的萌生和扩展。
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