高效重型切削筒节材料刀具粘结破损机理研究

高压热壁加氢反应器筒节材料属于高强度耐热合金钢，重达数百吨筒节加工的进给量与背吃刀量是中型切削10余倍，切削力是中型切削40-50倍。重型切削筒节材料过程中，超强热力耦合场作用加剧了刀屑同族元素亲和性所引起的元素扩散程度，不仅引起前刀面表层和亚表层组织结构改变，而且直接导致刀具粘焊形成，由此产生的刀具破损问题已成为制约加氢反应器等重大装备制造技术瓶颈，重型切削筒节材料刀具粘结破损科学实质有待揭示。本课题研究重型切削筒节材料元素扩散动力学特性与粘焊形成机制，阐明刀具粘结破损形成机理，建立切削筒节材料刀具应力与温度分布密度函数，通过筒节材料高效重型切削过程仿真，实现刀具粘结破损预报。重点解决重型切削筒节材料刀屑亲和元素扩散动力学特性、刀具粘焊层组织结构与热力学性能演变规律、超大型切屑流动对刀具前刀面组织结构与结合应力影响规律等关键科学问题，丰富和完善难加工材料重型切削理论与基础数据。

高压热壁加氢反应器筒节材料属于高强度耐热合金钢，在重型切削过程中，超强热力耦合场作用加剧了刀屑同族元素亲和性所引起的元素扩散程度，引起前刀面表层和亚表层组织结构改变，由此导致的刀具粘焊以及破损问题已成为制约加氢反应器等重大装备制造技术瓶颈，针对此问题，本项目主要完成了以下工作：.完成了重型切削筒节材料元素扩散动力学特性研究。亲铁元素的扩散特性受切削温度影响较大，对于高温保持性能较高的钨元素，时间对扩散浓度影响大于温度；通过推算出的亲铁元素的扩散系数和激活能，建立了空间和时间维度下的亲铁元素扩散浓度变化曲线。.阐明了重型切削筒节材料粘焊形成机制。刀-屑间发生的粘焊，主要是由于工件材料中亲铁元素向刀具中的粘结相扩散造成的；提出了刀具粘焊的识别条件：工件材料中亲铁元素向刀具材料中扩散的深度达到0.5~1μm，且在扩散层内扩散元素的浓度为初始浓度一半时，刀具表面将发生粘焊；结合元素扩散浓度曲线，建立了粘焊层厚度的预报模型。.揭示了刀具粘结破损形成机理。当刀具表面发生粘焊后，应力梯度和温度梯度的综合作用下，产生裂纹，并沿着等效应力的方向扩展，超过裂纹安全长度后刀具表面发生粘焊层剥落，粘焊层多次剥落累加导致刀具粘结破损的发生；获得了粘结破损刀具的形貌曲线，计算了粘结破损深度和粘焊层的厚度，得出单次粘焊层的厚度随着粘结破损发生次数而逐渐减小的结论。.建立了切削筒节材料刀具应力与温度分布分布密度函数。通过建立的应力分布函数得出切削力载荷主要集中分布在刀尖区域附近和主切削刃方向上。通过建立的温度分布函数获得了切削温度分布规律，刀具表面的最高温度出现在距刀尖一定距离范围内，最高切削温度距刀尖处的梯度变化在刀-屑接触长度方向远大于刀-屑接触宽度方向，副切削刃方向上最大切削温度距刀尖距离大于主切削刃方向。.完成了筒节材料高效重型切削过程仿真研究，实现了刀具粘结破损预报。通过准静态实验和霍普金森动态压缩实验建立了筒节材料的本构方程，进行了高效重型切削过程仿真，仿真结果经切削实验的实测数据验证，误差绝对值均小于10%，吻合度较好；基于仿真研究结果，并结合破损机理研究结果，建立了刀具粘结破损预报模型，实现刀具粘结破损预报。 .本项目解决的刀-屑亲和元素扩散动力学特性、刀具粘结破损机理等关键科学问题，丰富和完善了难加工材料重型切削理论与基础数据。