高压冷却下PCBN刀具切削高温合金切削层特性及其表面完整性研究

Superalloy which is necessary for advanced equipmennt of modern areospace, aviation, navogation and nuclear industry field is one kind of difficult -to-cut materials, and its machinability is very bad. In the project, aiming to the characters such as big cutting force, high cutting temperature, severe work hardening, large plastic deformation, easy for tool to wear in the process of cutting supperalloy, the cutting method of high pressure cooling is used to research on mechanism of PCBN tool cutting supperalloy and layer characteristics. The cutting method of high pressure cooling can effectively make up weakness of PCBN tool cutting superalloy. The main contents include: 1. From the angle of thermodynamic, the theoretical models of cutting force, cutting temperature and cutting deformation in high pressure cooling cutting process are established and optimized. Besides, dynamic physical model and mathematics model of chip breaking are established under the condition of high pressure cooling cutting. 2. From the angle of material science, the integrity of machined surface is studied. And combined with wear and damage analysis of PCBN tool, PCBN evaluation system and evaluation standard are researched under the condition of high pressure cooling. 3. Using the cutting method of variable pressure and high pressure cooling, the vibration characteristics in cutting process is researched, and the pressure control model under condition of variable pressure and high pressure cooling is estanlished. The tool structure is designed and tool parameters are optimazted. The research of high pressure cooling cutting and others interrelated provides important theoretical basis for machining of supperalloy.

高温合金是现代航天、航空、航海及核工业领域高端装备必需的难加工材料，其切削加工性非常差。本项目针对高温合金切削加工过程中存在的切削力大、切削温度高、加工硬化严重、塑性变形大、刀具易磨损等特点，采用高压冷却切削方式，进行PCBN刀具切削高温合金机理及层间特性研究,高压冷却条件可有效弥补PCBN刀具切削高温合金的不足。主要研究内容包括:1.从热力学的角度对高压冷却切削的切削力、切削温度以及切削变形建立理论模型并进行优化研究，建立高压冷却切削条件下切屑折断动态物理模型和数学模型；2.从材料学角度研究高温合金已加工表面完整性,结合PCBN刀具的磨损、破损分析，研究高压冷却条件下PCBN刀具评价体系及评价标准；3.采用变压高压冷却切削的方法，研究切削过程的振动特性，建立变压高压冷却条件下压力控制模型，对刀具结构进行设计及参数优化。高压冷却切削及相关研究为高温合金的切削加工和刀具设计提供重要理论基础。

伴随航空制造业的高速发展，高温合金的应用越来越多，这主要是由于其具有良好的耐磨性以及优异的组织结构等特点。但是由于高温合金材料的自身特点，在切削过程中微观组织强化相硬度高、抗剪切应力大、导热率低，易导致切削力大、切削温度高、刀具磨损严重等问题，因此高温合金属于难加工材料之一。PCBN刀具被认为在高温合金方面具有较大的潜能，但是采用普通的冷却和润滑方式，PCBN刀具寿命、加工质量同样没有达到理想的效果，主要体现在刀具破损严重、断屑困难等方面。随着机床辅助设备的发展，近年来出现了高压冷却切削方式，它为解决高温合金的高效切削加工问题提供了技术支持。因此为了提高高温合金的切削加工技术，本项目将高压冷却切削技术与PCBN刀具技术相结合，并主要从以下几个方面开始展开研究：. 研究高压冷却切削切屑变形，并基于流体力学和热力学，建立等效力热模型，在以上研究的基础上，利用材料学理论，研究切削层变形规律以及断屑条件，进而建立静态断屑模型。在切削过程中，切削厚度是在变化的，导致了切削力的波动。因此通过研究切削力等效动态模型，即可以将静态断屑模型转化为动态断屑模型，为高压冷却下切屑的控制提供了理论依据。 建立高温合金相变的条件，其中主要包括压力和温度的边界条件，既而分析晶粒强度和晶粒间作用力，从而得到沿晶断裂和穿晶断裂边界条件(温度和压力)。并且通过材料学实验研究，研究变质层和变形层的理化特性。从而确定高温合金表面硬化层、晶粒变形层、白色侵蚀层、黑色侵蚀层等的形成机理，为高压冷却下优化已加工表面质量提供了理论依据；建立高压切削液的机械冲击模型，并结合传统切削对刀具的机械冲击和热冲击作用，理论分析高压冷却下PCBN刀具刀尖区的应力分布情况；然后根据高压冷却PCBN刀具的磨损、破损分析，并且结合高压冷却高温合金表面完整性研究结果，建立高压冷却下PCBN刀具评价体系框架，通过实验对比，进行刀具评价。基于高压冷却切削试验，采集切削振动信号，通过信号处理，分析切削振动的周期与振幅，利用数学拟合倒棱切削振动的曲线，推导在高压冷却液作用在刀具和切屑上的振动周期，然后根据液压阀到切削液作用点的路程，研究液压阀的压力控制曲线模型。最后按照模型制作刀具样件，进行实验验证，并优化刀具结构和切削参数。上述成果，可为高压冷却下高效切削加工高温合金以及高压冷却技术的推广提供理论支持。