题目：镍基合金切削加工有限元仿真若干相关问题研究

镍基高温合金在高温环境中具有很高的屈服强度，以及良好的抗疲劳、抗氧化、抗辐射、耐腐蚀性能，广泛应用于航空航天、核能、石油等工业中，是制造航空发动机高温部件必需的关键材料。由于镍基高温合金导热系数低、高温强度大、加工硬化现象严重等特点，使得在切削加工过程中刀具磨损严重且工件表面质量难以保证，被认为是最难加工的金属材料之一。本文以镍基高温合金为主要研究的工件材料对象，将有限元仿真与切削试验相结合，对镍基高温合金切削过程中的刀具应力场、陶瓷刀具沟槽磨损的形成机理，以及镍基高温合金铣削加工的工件表面残余应力等问题进行了深入研究，主要研究内容如下：

将镍基高温合金切削有限元仿真的刀具应力场分析与切削试验的刀具失效形貌观察相结合，研究了刀具应力场与刀具磨损/破损形貌间的相互联系，探讨了适用于刀具应力场分析的材料破坏准则。刀具切削刃和前刀面上主要承受三向压应力，刀具后刀面主要承受压应力和较大的剪应力，根据刀具应力场的分布可以定性预测刀具失效的危险区域。最大主应力理论可用于分析刀具切削区可能出现的压缩破坏。最大剪应力理论可用于定性分析刀具前刀面和后刀面由于剪切作用发生破坏的危险区域。库仑－莫尔理论和修正的莫尔理论既可以用于分析压缩和拉伸破坏，也可以用于分析剪切破坏，适合于刀具应力场的分析，尽管判断过程较为繁琐。

对同种陶瓷刀具切削45钢和镍基高温合金，以及不同陶瓷刀具材料（Sialon、Al2O3-TiC）切削镍基高温合金分别进行金属切削过程有限元仿真研究，研究了陶瓷刀具切深线处的温度分布和应力分布，分析了拉应力分布与陶瓷刀具沟槽磨损位置间的关系以及不同陶瓷刀具材料的抗热震性能，研究了陶瓷刀具切削镍基高温合金时沟槽磨损的形成机理，并对沟槽磨损问题中的若干疑问作出解释。根据镍基高温合金切削过程有限元仿真的应力场分析，在发生沟槽磨损的切深线外侧，温度和应力梯度大，应力分布从压应力变为拉应力，拉应力区与沟槽磨损发生位置基本一致，切深线外侧拉应力最大处与初期磨损试验中得到的沟槽中心位置吻合得很好。陶瓷刀具抗压强度高、红硬性好、高温化学稳定性高，使得在初期磨损阶段陶瓷刀具更能耐受切削区的高温高压，但是陶瓷刀具抗拉强度低、抗热震性能差，所以在切深线外侧的过大拉应力作用下，当局部的拉应力值超过陶瓷刀具材料的抗拉强度时，将对刀具造成局部损伤和破坏，导致陶瓷刀具在前刀面和后刀面磨损量很小的情况下却出现了较严重沟槽磨损。与Al2O3-TiC、Al2O3-SiCw相比较，Sialon陶瓷刀具拥有更好的抗热震综合性能，因而表现出更好的抗沟槽磨损性能。

将镍基高温合金GH4169切削过程有限元仿真与切削试验相结合，研究分别用硬质合金刀具和陶瓷刀具铣削时已加工表面的残余应力，采用X射线衍射法测量得到的表面残余应力与有限元仿真的结果较吻合，硬质合金刀具湿式低速铣削时工件表面产生残余压应力或者较小的残余拉应力，而陶瓷刀具高速干铣削时工件表面产生很大的残余拉应力。通过二维有限元仿真分析了刃口钝圆半径、前角、切削液、切削参数等因素对已加工表面残余应力的影响，研究结果表明较小的钝圆半径、负前角、浇注切削液、较低的切削速度和进给量，有助于在工件表面产生残余压应力。因此镍基高温合金GH4169的精加工更适合采用硬质合金涂层刀具并浇注切削液充分冷却，而陶瓷刀具高速干切削则更适合于GH4169的粗加工。