高速切削高温合金热力多场耦合材料本构模型建立及刀具磨损预测研究

High-temperature alloys have been widely used in various industries, but the poor machinability limits the improvement of production efficiency and overall manufacturing level. The project based on the high temperature alloy and hard alloy, through means of scientific experiment, theoretical model and numerical simulation ,the friction and wear characteristics、 heat-force coupling mechanism, tool wear mechanism and wear prediction of high speed cutting are studied .Specific contents include: study the friction and wear behavior of the contact surface of the cutting tool and friction chemical reaction characteristics, obtain the change law of friction coefficient under the cutting state, and explain the formation mechanism of thermal-force in the strength effect of multiple field ; The contact mechanism of cuttingtool---chips and the physical and chemical process of tool wear are analyzed. It reveal the wear pattern, wear law and internal mechanism caused by high strain, high strain rate and friction effect. It establishes the comprehensive wear rate model of tool. This paper studies the local dynamic plastic deformation mechanism of thermal coupling of high temperature alloys, constructs the material constitutive equation based on the fusion of thermodynamics and mechanical properties of materials and the finite element model of tool wear prediction.To realize the qualitative leap from qualitative description to quantitative and accurate calculation of tool wear, for high-temperature alloyswith high precision, high efficiency and high quality cutting and wide application provide theoretical basis.

高温合金在各工业领域得到越来越广泛的应用，但极差的切削加工性限制了生产效率与行业整体制造水平的提升。本项目以高温合金和硬质合金为载体，通过科学试验、理论模型与数值仿真相结合的方法，对高速切削摩擦磨损特性、热-力耦合作用机制、刀具磨损机理及磨损预测等方面进行应用基础研究。具体内容包括：研究刀具接触面摩擦磨损学行为和摩擦化学反应特征，获取切削状态下摩擦系数变化规律，阐明热-力等多场强作用的形成机制；分析刀具-切屑的接触作用机理与刀具磨损的物理化学过程，揭示其高应变、高应变率和摩擦效应引起的刀具磨损形态、磨损机理规律及内在机理，确立刀具综合磨损率模型；研究高温合金热力耦合的局部动态塑性变形机理，构建基于热力学和材料力学性能相融合的材料本构方程以及刀具磨损预测仿真有限元模型，实现刀具磨损研究由定性描述到定量精确计算的质的飞跃，为高温合金材料高精度、高效率、高质量切削加工及广泛应用提供理论基础。

难加工材料的高速高效切削一直是国内外学者的研究热点，然而，针对其高速切削机理的研究仍处于初期探索之中。因此，深入开展其切削机理的研究，建立适应高速高效切削加工的新理论和新方法，对推动高速高效加工技术的发展具有重要意义。项目采用科学试验、理论分析与数值仿真相结合的方法，进行了如下研究：.（1）刀具接触面的摩擦磨损特性、磨损形貌及磨损机理分析。搭建切削实验平台，研究了不同切削参数及条件对切削力演变行为和摩擦行为的影响规律，分析了刀具-切屑、刀具-工件之间接触区中发生的物理化学现象、摩擦接触特性及应力分布状态，揭示在高速切削状态下摩擦界面多因素相互作用的摩擦系数变化规律、热-力场强作用的形成机制及对刀具的磨损形态、磨损机理以及磨损过程的影响规律。.（2）高速切削材料本构方程、切削仿真模型的建立及验证。依据准静态和动态冲击试验下的有效数据，探讨外界温度、加载速率对材料流变行为的影响规律；构建了Johnson-Cook和Power-Law本构模型，借助本构模型的相关系数（R）和平均相对误差（AARE），探讨了其预测精度；考虑应变、应变率和温度之间的耦合作用，对原本构方程进行修正，基于修正后的模型参数，进行SHPB压缩过程的数值模拟，将仿真结果与实验结果进行对比分析，验证修正模型的有效性。.（3）刀具磨损智能化在线预测研究。基于稀疏自编码器SAE的无监督刀具磨损状态在线监测方法，重构不同磨损阶段的切削力与振动融合信号时表现出的误差序列特征，对误差序列进行平滑处理，依据监测阈值和准则，揭示并有效预测刀具的不同磨损状态。.本项目历经四年的研究，发表论文13篇，其中SCI收录4篇，EI收录2篇，北大中文核心7篇，申请并授权国家发明专利2项，实用新型专利4项，培养年轻教师晋升副教授4名，博士研究生1名。项目研究成果为难加工材料的高精度、高效率、高质量切削加工技术的分析及广泛应用提供了相应的参考依据和理论基础。