航空难加工材料300M超高强钢高速车削加工机理研究

飞机起落架用300M超高强钢具有超高强度、高硬度、和高韧性，切削加工性极差。本项目针对300M 超高强钢高速加工中凸现的刀具磨损及加工表面质量难以保证等技术难题，通过高温等温压缩试验及多元非线性回归方法，构建300M超高强钢的高温本构模型。基于300M超高强钢的高温本构模型及力－热耦合作用机理，准确构建300M超高强钢车削加工过程动态物理仿真模型。在数值模拟和试验研究的基础上研究切削参数对300超高强钢切削力和切削温度的影响规律。通过试验研究300M超高强钢车削加工时，切削参数、刀具几何参数对刀具磨损、宏观表面质量和微观表面组织缺陷的影响规律并建立其定量描述的数学模型。以上研究为飞机起落架用300M超高强钢高速车削加工切削参数及刀具的优选提供科学依据，为实现我国飞机起落架的高效加工奠定基础。

超高强度钢属于材料科学前沿和研究的热点，300M超高强钢有独特的物理机械性能，是目前飞机结构中使用强度最高的一个钢种，其切削加工和磨削加工都很困难，而对于材料的加工表面质量有较高要求。由于300M超高强钢在切削过程中体现出的切削力大、切削温度高等特点，使得工件的已加工表面质量较差，刀具快速磨损导致的失效是突出的问题。我们针对这些问题进行了深入研究。. 首先，由恒温热压缩试验，得到真应力真应变曲线，分别基于数理模型和神经网络模型建立了300M钢的高温本构模型，统计计算了数理模型和神经网络模型的预测值和实验值之间的相关系数和平均相对误差，结果表明神经网络模型具有更高的精度，能够更精确的预测出300M钢的高温流动应力；通过准静态压缩力学实验，确定Johnson-Cook关系式中应变强化项系数，以及通过切削实验和相关切削理论分析确定关系式中的应变速率项和热软化效应项系数，建立300M钢的Johnson-Cook材料热-塑性本构关系方程式。. 其次,对300M钢进行了正交实验，分析切削参数对切削力及切削温度影响规律。建立切削力及切削温度经验模型；对300M钢材料的切削加工性进行了研究，提出了改善航空难加工材料切削加工性的主要措施；采用改进的 NSGA-II遗传算法进行切削参数优化。. 再次，以刀具磨损为指标，优选出了PCBN刀具；以切削力与切削温度为指标，对PCBN刀具的倒棱参数进行了优选；利用PCBN刀具对300M超高强度钢进行了高速车削试验，分析了刀具磨损对切削力及与切削温度的影响；在此基础上，进行了300M钢高速车削加工的磨损特性的研究，利用超景深显微镜观察了PCBN刀具的磨损形貌；建立了PCBN刀具磨损的经验模型，实现了300M超高强度钢高速车削加工刀具磨损的预测。 .最后，建立300M钢切削加工的表面粗糙度数学模型，进行300M超高强度钢表面加工硬化和残余应力的实验研究。研究切削参数对300M钢表面加工硬化的影响及其沿层深的分布规律，总结其加工硬化程度规律；研究切削参数对300M钢表面层残余拉压应力的大小及其分布规律、沿层深方向的分布规律及其作用层深度影响；运用模拟仿真软件对切削过程进行模拟。