高速干硬切削表面变质层微结构形成机理及有限元-元胞自动机耦合模拟与预测研究

This project aims at researching the microcosmic mechanism and prediction of the formation of surface change layer in high speed dry-hard cutting, combining the high speed cutting experiment, the microstructural observation and analysis, the microscopic theory modeling and computer simulation methods, the fine microstructural characteristics of the surface and sub-surface change layers are analyzed and investigated to clarify the microstructural nature of change layers ,to reveal the microcosmic formation mechanism of change layer and to find the influence law of workpiece material properties and cutting parameters on the microstructure and formation mechanism evolution of change layer. A thermal-mechanical coupling prediction model of thickness of surface change layer produced in high speed dry-hard cutting based on different formation mechanism is built up. By mean of coupling finite element and cellular automaton methods, the microstructure evolution processes of phase transformation and dynamic recrystallization during surface change layer formation are predicted, based on multi-physics and multi-scale coupled simulating cutting process, the interaction and influence between temperature field, stress and strain field and microstructure evolution in the surface change layers under different cutting conditions are explored, a microstructure evolution model during microstructure formation process of change layer is established. This research can provide the theoretical basis for reasonably choosing cutting parameters, controlling change layer formation, improving workpiece surface quality and optimizing high speed cutting process.

本项目针对高速干硬切削表面变质层形成的微观机理和预测问题，采用高速切削实验、微观观察与分析、理论建模及计算机仿真模拟相结合的方法，分析和研究表面和亚表面变质层内部的精细组织结构，澄清变质层的微结构本质，揭示变质层的微观形成机理，发现工件材料性质和切削参数对变质层微结构及其形成机理演变的影响规律；建立基于不同形成机理的高速干硬切削表面变质层厚度的热-力耦合预测模型；采用有限元和元胞自动机（CA）耦合方法对高速干硬切削表面变质层形成过程中相变和动态再结晶微观组织演变过程进行模拟和预测，通过对切削过程进行多物理场多尺度耦合模拟，探明不同切削条件下工件材料表面温度场、应力应变场、微观组织演变之间的相互作用和影响关系，提出变质层微结构形成过程的微观演化模型。 此项研究可以为高速切削加工生产实践中合理地选择加工参数、控制变质层的形成和改善工件表面质量、优化高速切削过程提供理论依据。

高速干硬切削表面变质层对工件疲劳寿命等使用性能有极大影响，揭示高速干硬切削表面变质层的形成机理及其随切削条件的演变规律，实现加工表面变质层形成过程的准确预测是生产实践中控制高速干硬切削工件表面质量的前提，对高速干硬切削技术今后的发展与应用有重要的推动作用。本项目在不同切削参数下进行高速切削淬硬钢实验，获得已加工表面变质层，基于一系列宏微观观察和检测方法对变质层的宏微观组织等特征进行观察与分析，揭示变质层形成机理以及切削参数、工件材料性质对变质层形成的影响规律。实验表明，变质层由白层和暗层组成，白层为淬火组织，暗层为回火组织，塑性变形在白层与暗层形成过程中起到极大的促进作用；白层厚度随切削速度先增加后减小，随进给量、后刀面磨损、工件硬度以及含碳量增加而增加。基于白层相变形成机理建立了多因素耦合影响下白层厚度预测模型，并通过有限元模型对不同切削参数下白层厚度进行了预测。基于高速硬切削的特点，推导了马氏体相变温度，揭示了冷却速度、塑性变形与碳溶解等因素对白层中马氏体体积分数的影响规律。基于热力学基本理论建立了高温高应变率下动态再结晶临界温度以及动态再结晶动力学模型，并采用有限元与元胞自动机耦合方法对变质层中动态再结晶微观演化过程进行了模拟与预测，通过耦合模拟实现了已加工表面变质层动态再结晶晶粒尺寸定量化预测。