高速切削高强度钢加工表面淬火效应及强化机理

高强度钢高速切削过程中，高温状态下刀尖与工件之间的强挤压作用对已加工表面和亚表面生成机理作用明显，并很大程度上影响工件表面性能。以往针对高强度钢加工表面性能的强化研究往往集中在单一目标，而诸多表面性能（表面强度、耐磨性和抗疲劳性等）的相互作用机制未得到充分揭示，造成了加工质量不可控。本项目从高强度钢高速切削过程淬火效应的研究入手，揭示其对表面生成机制的影响；利用实验和仿真相结合深入研究已加工表面和亚表面特征（变质层、表面残余应力、表面硬度和微观裂纹）的形成机理；通过实验研究掌握表面特征对表面性能的影响机制，利用灰色关联理论分析表面性能之间的作用机制，实现具体服役条件下工件性能的多目标强化。建立含有刀具磨损信息的表面强化综合预测模型，并得到优选后的切削条件，最终通过工艺条件的控制保证高精度加工的同时实现表面性能强化。本项目旨在提出高速切削高强度钢表面性能强化新方法，经济和社会效益显著。

本项目通过有限元仿真研究了典型高强度钢在切削状态下的本构模型，并在其基础上揭示了刀具磨损对切削应力和切削温度场的影响；结合仿真软件Isight，在Abaqus软件二次开发的基础上建立了硬态切削力的控制模型，进而优化了切削参数，并验证了该模型的正确性。得到了切削参数对切削温度的影响规律，揭示了锯齿状切屑的形成机理。同时，揭示了绝热剪切现象对已加工表面的影响。.揭示了硬态切削已加工表面生成的机理，并分析了变质层的元素变化；利用相变温升实验得到了切削状态下Cr12MoV的Ac1升高到为921℃的结果。建立了非稳态的移动热源模型；通过对后刀面移动热源模型数值解的分析，得出不同温度所对应的点与已加工表面的距离，实验结果验证了仿真模型的精确性。采用正交试验方法对高强度钢材料进行切削实验，研究了切削条件和刀具磨损对表面粗糙度、残余应力和塑性变形层影响的显著性分析。.通过正交试验和单因素试验数据相结合，采用曲面响应法得到了表面粗糙度和塑性变形层的预测模型，并且将两个模型的预测值与试验值做了对比，模型的误差小于10%；采用BP神经网络模型建立了高精度的表面残余应力的预测模型。结果表明：基于BP+GA的表面残余应力的预测值与试验值相差不大，其误差在5%以内，而基于BP神经网络的表面残余应力预测值与试验值相差较大。 .研究了切削条件和表面完整性对疲劳寿命的影响，得到了疲劳寿命随着进给量的增加疲劳寿命先减小后增加最后再减小的结论。随着被持刀量的增加塑性变形层厚度减小，疲劳寿命是减小的，因此，背吃刀量对疲劳寿命没有直接影响关系；且刀具磨损对疲劳寿命没有直接影响关系。基于灰色关联理论分析得出切削条件的不同，对疲劳寿命的影响关系也不同，但是切削条件对疲劳寿命影响的关联度数值较小，而表面完整性对疲劳寿命影响的关联度数值较大。.采用ANSYS软件对旋转弯曲疲劳试件进行力学分析，建立了应力离散度-疲劳寿命差异的数学模型。基于实验数据分析得到了车削和磨削残余应力离散性、残余应力分布曲线对疲劳寿命的影响。分析了疲劳试件断口特征，进而分析了拉压应力对扩展速率的抑制度。在上述研究的基础上，对比了硬态切削和磨削工艺的各自应用的优势。研究结果为实现高强度钢硬态切削提供了系统的理论支持，并提供了可实用的工艺参数，为硬态切削工艺的推广应用提供了重要的理论和技术指导。