基于使役性能驱动的硬态铣削高完整性表面的定量创成研究

针对压铸模具的使役条件和失效形式，以H13 模具钢为研究对象，通过科学实验、理论研究和数值仿真的结合，诠释工艺参数与铣削过程特征量之间的相互关系及其对硬态铣削表面层材料激变行为演化过程及表面形成的影响机制，建立主要工艺参数、刀具磨损与表面完整性之间的非线性全局映射关系；探索周期性热载荷作用下的硬态铣削表面层材料损伤行为演化过程及热疲劳破坏机理，建立基于经济热疲劳寿命要求的高完整性表面评价准则，实现硬态铣削工艺与模具使役性能的最佳匹配；构建形性协同的硬态铣削工艺体系和最佳的主要工艺参数空间，实现高完整性表面的定量创成。本项目通过揭示工艺参数、表面完整性与热疲劳破坏之间的关联机制，构建基于使役性能驱动的逆向可控硬态铣削工艺体系，把对铣削表面完整性的定性认识转变为对模具热疲劳寿命的定量控制，促进模具制造从"几何精度控制"到"使役性能控制"的跃升，为压铸模具高精度、高品质和高效率制造提供科学依据。

压铸工艺广泛应用于汽车、通信、家电、五金制品、电动工具、IT、照明、扶梯、玩具等领域的零部件制造。热疲劳龟裂是压铸模具的主要失效形式，这在很大程度上与压铸过程中的周期性热载荷和加工表面完整性密切相关。. 随着高速机床和高性能刀具材料的发展，硬态铣削技术，即对处于淬硬状态的材料直接进行铣削加工，开始应用于模具制造业。作为高速切削技术的一个分支，硬态铣削技术能够缩短模具制造工艺流程，避免因磨削和电火花加工而带来的表面损伤。因此，采用硬态铣削代替磨削和电火花加工已成为发达工业国家模具制造业的共识。. 硬态铣削过程中的热/机械载荷和塑性变形决定着加工表面形貌和亚表层微观组织、性能，进而对模具的热疲劳寿命产生影响。因此，研究和控制硬态铣削过程中的模具表面形貌和粗糙度、亚表层微观组织和性能变化规律，设法形成有利于提高压铸模具热疲劳寿命的高完整性表面具有重要意义。. 本项目通过实验分析、有限元仿真和数学建模相结合的方法，系统研究了硬态铣削工艺参数、表面完整性与热疲劳性能三者之间的关系。结合硬态铣削过程中的热/机械载荷和塑性变形，分析了切削参数对表面完整性评价指标（表面粗糙度、白层、显微硬度和残余应力等）的影响规律；建立了硬态铣削三维表面形貌和表面粗糙度模型，研究了硬态铣削工艺参数对表面形貌的影响规律；构建了低温MQL系统，利用计算流体力学研究了低温油—气混合物的流体动力学特性，研究了不同冷却、润滑条件下的刀—屑接触模型和刀具寿命；借助于干切削和低温MQL切削条件下的硬态铣削实验，进一步探究了白层的形成机理，研究了刀具磨损以及冷却润滑方式对亚表层显微组织，显微硬度和残余应力的影响规律；研究了硬态铣削白层的电化学特性，为白层的电化学低损检测提供科学依据；根据铝合金压铸工艺，确定热疲劳试验的循环载荷谱，设计了热疲劳试验装置；提出了裂纹长度的计算算法，以便更好地识别和评价加工表面缺陷；基于三维表面形貌数据，重构了可以反映表面粗糙度值的三维实体模型，研究了表面粗糙度对试样热疲劳寿命的影响规律；分析了加热速率对试样最大等效应力的影响规律。通过上述研究，为控制和优化硬态铣削加工表面完整性和模具使用过程中的加热速率，进而保证具热疲劳寿命提供了科学依据。