水室封头作为核岛AP1000蒸发器设备组成的关键零部件,其切削方式以重型铣削加工为主。水室封头508Ш钢材料具有高强度、高硬度和高断面收缩率等难加工特性,以及较大的切削参数使刀具在重型铣削过程中破损失效严重。通过对重型铣削过程中刀具失效形式研究发现,疲劳累积损伤是导致刀具破损失效的主要原因。硬质合金作为刀具的基体材料,在重型铣削加工过程中不断地承受较大的热-机械交变载荷,使刀具材料内部初始损伤缺陷逐渐演化为宏观微裂纹,随着宏观微裂纹不断累积扩展,以及刀具在切入-切出过程产生的切削振动,加速了刀具疲劳损伤累积,降低了刀具使用寿命,最终使刀具发生疲劳破损,严重影响了加工效率。本文基于损伤力学理论研究重型铣削加工过程中刀具疲劳失效机理和损伤演变过程,同时对刀具的疲劳寿命进行分析和预测。首先,采用现场加工参数,进行水室封头材料铣削试验,分析切削参数对切削力和切削温度的影响规律;对铣削水室封头材料进行仿真分析,确定切入-切出过程中刀具应力分布状态;基于圆形刀具在铣削过程中切削接触面积不规则性及铣削厚度不均匀性,建立水室封头材料铣削动态切削力模型;上述研究为分析热-机械循环载荷对刀具材料产生的疲劳损伤累积以及刀具寿命预测提供理论依据。其次,进行水室封头重型铣削刀具失效试验,对刀具破损形貌进行分析,确定刀具失效形式以及承受的疲劳载荷类型;采用不可逆热力学和连续介质损伤力学,建立硬质合金材料低周疲劳损伤模型和高周疲劳损伤模型,对刀具材料疲劳损伤演变过程进行数值描述;根据机械应力及热应力分布状态对刀具材料疲劳失效机理进行分析。再次,对硬质合金刀具材料进行疲劳裂纹扩展试验及高温力学性能研究,依据裂纹扩展理论及Paris公式,分析刀具疲劳破损条件及疲劳裂纹扩展速率;通过高温拉伸实验,分析温度对硬质合金材料力学性能影响规律,同时对试件拉伸断口形貌进行分析,为刀具失效形式分析和疲劳寿命预测提供依据。最后,基于局部应力-应变寿命分析方法和线性疲劳累积损伤理论,使用ANSYS有限元软件并结合高温力学性能实验数据,进行刀具材料低周疲劳仿真分析,对疲劳寿命模型参数进行确定;同时,对刀具低周疲劳寿命和高周疲劳寿命进行预测,基于最大疲劳寿命时刀具所承受的有效应力,计算刀具的损伤极限值。