（机械制造及其自动化专业论文）模具钢硬态切削过程刀具磨损及表面淬火效应研究.pdf

国内图书分类号：t g 5 0 1 工学博士学位论文 模具钢硬态切削过程 刀具磨损及表面淬火效应研究 博士研究生： 导师：寸y ： 申请学位级别： 学科、专业： 所在单位： 答辩日期： 授予学位单位： 岳彩旭 刘献礼 工学博士 机械制造及其自动化 机械动力工程学院 2 012 年12 月 哈尔滨理工大学 c l a s s i f i e di n d e x ：t g 5 01 d i s s e r t a t i o nf o rt h ed o c t o r a ld e g r e ei ne n g i n e e r i n g t o o lw e a ra n ds u r f a c eq u e n c h i n gm e c h a n i s mf o r h a r dc u t t i n gp r o c e s so fd i es t e e l c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： y u ec a i x u l i ux i a n l i a c a d e m i cd e g r e ea p p l i e df o r ：d o c t o ro fe n g i n e e r i n g s p e c i a l t y ： m e ch a n i c a lm a n uf a c t u r e a n da u t o m a t i o n d a t eo fo r a ie x a m i n a t i o n ：d e c ，2 0 12 u n i v e r s i t y ： h a r b i nu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y 摘要 模具钢硬态切削过程 刀具磨损及表面淬火效应研究 摘要 由于具有良好的加工环保性、柔性和精度，硬态切削工艺已逐步成为高 强度钢的精加工工艺，并在一定场合取代了磨削工艺，所以该工艺是具有广 泛应用前景的先进加工技术。但硬态切削加工工艺中诸如刀具磨损、表面淬 火效应和加工表面完整性等方面的理论与技术尚需深入研究，以便进一步推 广这一先进技术的应用。 为了建立切削过程的精确仿真模型，本研究系统阐述了切削仿真技术的 关键技术，并采用仿真手段利用a b a q u s 软件研究了工件材料本构关系，针 对典型高强度钢c r l 2 m o v 的霍普金森实验得到了工件材料j o s h o n c o o k 模 型参数的敏感性关系；联合综合优化软件i s i g h t ，通过a b a q u s 仿真软件的 二次开发实现了切削力的仿真控制，为选择合适的切削条件提供理论工具。 为实现模具钢硬态切削过程中刀具磨损的机理研究，本文揭示了p c b n 刀具切削模具钢c r l 2 m o v 过程的刀具磨损规律，研究了刀具磨损量对切屑 生成机制、切削力、切削应力和切削温度的变化规律；采用功率谱均方根的 方法研究了不同切削速率和刀具磨损量下系统稳定性判据的变化规律，并通 过数值建模的方法得到了刀具磨损对切削系统稳定阈极限的影响，结果显示 在选定切削条件下刀具磨损加剧会导致切削稳定阈极限变宽。 为揭示硬态切削过程已加工表面淬火效应，本文研究了不同升温速率下 工件材料相变点在切削状态下相变图谱位移情况；结合数值方法得到了不同 刀具磨损情况下工件温度场分布情况，对已加工表面的变质层厚度进行了预 测，并利用实验手段得到了已加工表面变质层受刀具磨损和切削速度的影响 规律，同时也分析了淬火效应对已加工表面硬度的影响。 为揭示条件对已加工表面完整性的影响机制，本文研究了硬态切削工艺 切削条件对表面粗糙度的影响，建立了考虑最小切削厚度表面粗糙度仿真模 型，并采用实验手段验证了模型精度；分析了刀具磨损对加工表面形貌的影 响：研究了切削条件、刀具圆弧半径和刀具磨损对残余应力分布的影响机制。 本文以p c b n 刀具硬态切削模具钢c r l 2 m o v 工艺为研究对象，通过理 论分析、数值模拟和切削试验相结合的方法，在刀具磨损、已加工表面淬火 哈尔滨理工大学工学博士学位论文 效应和表面完整性等方面研究了硬态切削机理， 削加工技术推广提供理论依据和技术支撑。 关键词模具钢c r l 2 m o v ；硬态切削；p c b n 过程稳定性：表面完整性 研究结果可为模具钢硬态切 刀具；切削过程仿真；切削 a b s t r a c t t o o lw e a ra n ds u r f a c eq u e n c h i n gm e c h a n i s m f o rh a r dc u t t i n gp r o c e s so fd i es t e e l ab s t r a c t h a r dc u t t i n gp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yh a sg r a d u a l l yb e c o m ef lh i g hs t r e n g t hs t e e l f i n i s h i n gp r o c e s sa n dh a sr e p l a c e dt h eg r i n d i n gp r o c e s si n c e r t a i no c c a s i o n sa s w e l l ，f o ri t sg o o dp r o c e s s i n ge n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，f l e x i b l ea n dp r e c i s i o n t h u s ，t h i st e c h n o l o g y i sa na d v a n c e d p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y w i t hw i d e a p p l i c a t i o np r o s p e c t s b u tm a n ys p e c i a lc u t t i n g l a wo ft h eh a r d c u t t i n g p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y s t i l ln e e dt o e x p l o r e ，e s p e c i a l l yc u t t i n g t o o lw e a ri n c u t t i n g ，s u r f a c eq u e n c h i n ge f f e c t ，p r o c e s s i n gs u r f a c ei n t e g r i t ya n do t h e ra s p e c t s o ft h et h e o r ya n dt e c h n o l o g yn e e das y s t e m i cr e s e a r c h ，w h i c hc o u l df u r t h e r p r o m o t et h ea d v a n c e dt e c h n o l o g y i no r d e rt oe s t a b l i s ht h ep r e c i s ec u t t i n gp r o c e s ss i m u l a t i o nm o d e l ，t h i ss t u d y i n t r o d u c e dt h e k e yt e c h n o l o g y o ft h e c u t t i n g s i m u l a t i o nt e c h n o l o g ya n d r e s e a r c h e dt h ew o r k p i e c em a t e r i a lc o n s t i t u t i v er e l a t i o nu s i n ga b a q u ss o f t w a r e w i t ht h es i m u l a t i o nm e t h o d ，i nv i e wo ft h et y p i c a lh i g hs t r e n g t hs t e e lc rl2 m o v o ft h eh o p k i n s o ne x p e r i m e n t g e t t h e p a r a m e t e rs e n s i t i v i t yr e l a t i o n s h i p o f m a t e r i a lj o s h o n c o o km o d e l t h r o u g ht h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to fa b a q u s s i m u l a t i o ns o f t w a r ea n dc o m b i n i n gm u l t i d i s c i p l i n a r ys y s t e mo p t i m i z a t i o nl s i g h t s o f t w a r et or e a l i z et h ec o n t r o lo fc u t t i n gf o r c e ，w h i c hp r o v i d et h e o r e t i c a lt o o l s t h ec h o i c eo fa p p r o p r i a t ec u t t i n gc o n d i t i o n s t h es y s t e ms t u d i e dt h et o o lw e a rm e c h a n i s mo ft h ep r o c e s st h a tp c b nt o o l s c u td i es t e e lc rl2 m o ”a n da n a l y z e dt h ec h a n g er u l e so ft h et o o lw e a ra m o u n tt o c h i pg e n e r a t i o n ，c u t t i n gf o r c e ，c u t t i n gs t r e s sa n dc u t t i n gt e m p e r a t u r e ；t h es y s t e m u s e dt h ew a yo fr o o tm e a ns q u a r et os t u d yt h ec h a n g er u l e so ft h es y s t e ms t a b i l i t y i nd i f f e r e n tc u t t i n gr a t ea n dt o o lw e a rq u a n t i t y ，a n dt h r o u g ht h en u m e r i c a l m o d e l i n gw a y st og e tt h ei n f l u e n c eo ft h et o o lw e a rt oc u t t i n gs y s t e ms t a b i l i t y ， a n dr e a l i z e dt h ep r e d i c t i o no ft h es t a b il i t yd o m a i nl i m i tw i t ht h es i m u l a t i o n m e t h o d i no r d e rt or e v e a lt h ed i es t e e lc r l2 m o v e f f e c tm e c h a n i s m ，t h i sp a p e rs t u d i e dt h e a r e a d yp r o c e s s i n gs u r f a c eq u e n c h i n g w o r k p i e c em a t e r i a lp h a s e t r a n s i t i o n 哈尔滨理工大学工学博士学位论文 p o i n ti nd i f f e r e n th e a t i n gr a t ea n dt h ep h a s ed i a g r a mo fd i s p l a c e m e n ti nd i f f e r e n t c u t t i n gs t a t e ；c o m b i n i n g w i t hn u m e r i c a lm e t h o dt o g e t t h e w o r k p i e c e t e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o ni nt h ed i f f e r e n tt o o lw e a rc o n d i t i o n ，a n dp r e d i c t i n g t h et h i c k n e s so fa l r e a d yp r o c e s s i n gs u r f a c em e t a m o r p h i cl a y e r ，b e s i d e ，b yu s i n g e x p e r i m e n t a lm e t h o dt og e tt h ei n f l u e n c em e c h a n i s m o ft h et o o lw e a ra n dc u t t i n g s p e e dt o f i n i s h e ds u r f a c em e t a m o r p h i cl a y e r a tt h es a m et i m e ，t h ep a p e ra l s o e v a l u a t e dh o wq u e n c h i n ge f f e c ti n f l u e n c et h ep r o c e s s i n gs u r f a c eh a r d n e s s t h i sp a p e rh a ss t u d i e dt h ee f f e c to fc u t t i n gc o n d i t i o n so ns u r f a c er o u g h n e s si n t h eh a r dc u t t i n gp r o c e s s i n g ，a n de s t a b l i s h e dt h em i n i m u mc u t t i n gt h i c k n e s s s u r f a c er o u g h n e s ss i m u l a t i o nm o d e l ，a n dv e r i f i e dt h ea c c u r a c yo fm o d e lm e a n s c o m b i n i n gw i t ht h ee x p e r i m e n t ；i ta l s oh a sa n a l y z e dt h ee f f e c to ft o o lw e a ro n m a c h i n i n gs u r f a c em o r p h o l o g ya n dt h es i d ef l o wg e n e r a t i o nm e c h a n i s mu n d e r d i f f e r e n tc u t t i n gc o n d i t i o n s ，d o n eas y s t e m a t i cr e s e a r c ho ni n f l u e n c eo fc u t t i n g c o n d i t i o n t o o ln o s er a d i u sa n dt o o lw e a ro nr e s i d u a ls t r e s sd i s t r i b u t i o n i nt h i ss t u d yp c b nt o o lh a r dc u t t i n gd i es t e e lc r l2 m o vp r o c e s sa s t h e r e s e a r c ho n e c t ，t h r o u g ht h ec o m b i n a t i o no ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o na n dc u t t i n gt e s t ，s t u d yh a r ds t a t ec u t t i n gm e c h a n i s mi nt h et o o lw e a r ， p r o c e s s e ds u r f a c eq u e n c h i n ge f f e c ts u r f a c ei n t e g r i t ya n do t h e ra s p e c t s ，t h er e s u l t s c o u l dp r o v i d et h et h e o r yb a s i sa n dt h et e c h n i c a ls u p p o r tf o ra p p l i c a t i o no fh a r d c u t t i n gp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y k e y w o r d sm o u l ds t e e lc r l2 m o v ；h a r dc u t t i n g ；f e mo fc u t t i n gp r o c e s s ；p c b n t o o l ；c u t t i n gs t a b i l i t y ；s u r f a c ei n t e g r i t y l v 目录 目录 摘要i a b s t r a c t ，i i i 第l 童绪论1 1 1 研究的目的和意义1 】2 高强度钢硬态切削的特征及优势2 i 、3 硬态切削技术国内外研究现状3 1 3 1 切削力和切削温度的研究3 i 3 2 工件材料本构关系的研究一4 1 3 3 切削过程仿真技术的研究5 1 3 4 硬态切削过程刀具磨损的研究7 1 3 5 硬态切削过程稳定性的研究8 1 3 6 硬态切削表面完整性的研究9 l 、4 课题的提出和研究内容】3 第2 童硬态切削过程切削力控制的仿真研究1 5 2 ，1 切削过程仿真关键技术1 5 2 1 1 刀具与切屑接触应力处理技术1 6 2 1 2 切屑与工件的分离准则1 6 2 ，2 工件材料本 勾方程的研究，1 7 2 2 1 霍普金森实验的原理及建模18 2 2 2 霍普金森实验的仿真结果2 0 2 ，3 基于联合仿真的切削过程控制2 2 2 3 1 联合仿真的设计流程2 3 2 3 2 软件a b a q u s 与脚本软件的过程集成，2 4 2 3 3 优化过程参数的设定2 4 2 3 4 仿真结果的输出2 5 2 3 5 仿真结果精度的验证2 6 2 4 本章小结2 7 第3 章模具钢硬态切削过程p c b n 刀具磨损研究2 8 3 1 试验条件设置2 8 哈尔滨理工大学工学博士学位论文 3 2p c b n 刀具磨损机理研究2 8 3 3 切削条件对刀具磨损影响的研究3 1 3 3 1 切削参数对刀具磨损的影响3 1 3 3 2 刀尖圆弧半径对刀具磨损的影响3 3 3 3 3 涂层对刀具磨损的影响3 3 3 4 刀具磨损对切削过程的影响3 5 3 4 1 刀具磨损对切屑生成机制的影响3 5 3 4 ，2 刀具磨损对切削力的影响3 6 3 4 3 刀具磨损对切削应力和温度场的影响3 8 3 5 本章小结4 0 第4 章刀具磨损状态对切削过程稳定性的影响4 1 4 1 切削系统模态参数的测定4 l 4 2 刀具磨损对切削稳定性的实验研究一4 3 4 3 基于谱密度均方根的系统稳定性研究4 4 4 3 1 系统稳定性均方根的理论研究4 4 4 3 ，2 稳定性模型的实验验证4 6 4 4 考虑刀具磨损的系统稳定域研究4 8 4 4 1 颤振的线性模型一4 8 4 4 2 磨损刀具对系统稳定性极限的研究5 1 4 4 3 稳定域极限的预测5 6 4 5 本章小结5 7 第5 章切削淬硬模具钢表面淬火效应的研究5 9 5 1 模具钢已加工表面变质层的特性分析5 9 5 1 i 变质层生成机理研究6 0 5 1 2 变质层的元素分析6 1 5 1 3 变质层体积的变化6 2 5 1 4 变质层的晶粒细化一6 3 5 2 工件材料温度变化历程的研究6 3 5 3 变质层产生的临界条件判定6 4 5 3 1 变质层产生临界条件的判定6 4 5 3 。2 急剧温升条件下c r l 2 m o v 相变点变化的研究，6 5 5 4 硬态切削过程温度场分布研究6 6 5 5 已加工表面变质层的生成机制6 8 目录 5 5 1 切削速度对变质层生成的影响6 8 5 5 2 后刀面磨损对表面变质层产生的影响7 0 5 6 模具钢已加工表面淬硬机制的研究7 1 5 6 1 加工硬化的评价方法7 1 5 6 2 高强度钢加工硬化试验7 2 5 7 本章小结7 3 第6 章切削淬硬模具钢已加工表面完整性研究7 4 6 1 表面完整性的定义7 4 6 2 已加工表面粗糙度的研究7 5 6 2 1 切削条件对表面粗糙度的影响7 6 6 2 2 考虑最小切削厚度表面粗糙度模型的建立7 7 6 2 3 表面粗糙度与刀具磨损关系的研究7 9 6 3 高强度钢已加工表面形貌的研究8 0 6 4 已加工表面残余应力的研究8 1 6 4 1 残余应力影响规律的分析8 1 6 4 2 切削速度对表面残余应力的影响8 2 6 4 3 刀尖圆弧半径对残余应力的影响8 3 6 4 4 刀具磨损对残余应力分布的影响8 3 6 4 5 材料相变引起的残余应力8 4 6 5 本章小结8 4 结论8 6 参考文献，8 7 攻读博士学位期间发表的学术论文9 7 致谢9 8 哈尔滨理工大学工学涛学位论文 co n t e n t s a b s t r a c t ( i nc h i n e s e ) i a b s t r a c t ( i ne n g l i s h ) ，i i i c h a p t e r1 i n t r o d u c t i o n 1 1 1t h ep u r p o s ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h es t u d y 1 1 2f e a t u r e sa n da d v a n t a g e so f h a r dm a c h i n i n go f h i g h s t r e n g t hs t e e l 2 1 3h a r dc u t t i n gt e c h n o l o g yr e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a d ，3 1 3 1s t u d yo f c u t t i n gf o r c e sa n dt e m p e r a t u r e ，3 1 3 2s t u d yo nt h ec o n s t i t u t i v er e l a t i o n s h i po fw o r k p i e c em a t e r i a l 。，4 1 3 3c u t i n gp r o c e s ss i m u l a t i o nt e c h n o l g yr e s e a r c h 5 1 3 4h a r dc u t t i n gp r o c e s sr e s e a r c ho nt o o lw e a r 7 1 3 5h a r dc u t t i n gs u r f a c ei n t e r g r i t yr e s e a r c hs t a t u s 8 1 3 6h a r dc u t t i n gs u r f a c ei n t e r g r i t yr e s e a r c h 。，9 1 4c o n t e n ta n dp r o p o s eo fr e s e a r c h 13 c h a p t e r2s t u d yo nc u t t i n gf o r c ec o n t r o ls i m u l a t i o ni nh a r dc u t t i n g 15 2 1 c u t t i n gp r o c e s ss i m u l a t i o nk e yt e c h n o l o g 15 2 1 1t e c h n i c a lg u i d e l i n e so f t h et o o la n dc h i p 16 2 1 2s e p a r a t i o nc r i t e r i ab e t w e e nt h et o o la n dt h ew o r k p i e c e 16 2 2s t u d yo nw o r k p i e c em a t e r i a lc o n s t i t u t i v ee q u a t i o n ，17 2 2 1h o p k i n s o ne x p e r i m e n t a lp r i n c i p l ea n di m p l e m e n t a t i o n 17 2 2 2t h er e s u l t so fh o p k i n s o ns i m u l a t i o ne x p e r i m e n t 2 0 2 3s o f t w a r ei s i g h ta n da b a q u sj o i n tc u t t i n gp r o c e s ss i m u l a t i o n 2 3 2 3 1i n t e g e r a t e dl s i g h ts o f t w a r ea b a q u so p t i m i z a t i o nd e s i g np r o c e s s 2 3 2 3 2a b a q u sa n ds c r i p t i n gs o f t w a r ep r o c e s si n t e g a t i o n ，。，。，2 4 2 3 3o p t i m i z a t i o np r o b l e ms e t t i n g 2 5 2 3 4s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h eo u t p u t 2 6 2 3 5a c c u r a c yv a l i d a t i o no f t h es i m u l a t i o nr e s u l t s 一2 7 2 4c h a p t e rs u m m a r y 。，。，。，2 8 c h a p t e r3d i es t e e lh a r dc u t t i n gp r o c e s sp c b nt o o lw e a rm e c h a n i s m 2 8 3 1e x p e r i m e n t a lc o n d i t i o ns e t t i n g ，。，。2 8 c o n t e n t s 3 2s t u d yo nt h ew e a rm e c h a n i s mo f c u t t e r 2 8 3 3s t u d yo ft h ei m p a c to fc u t t i n gc o n d i t i o n so nt o o lw e a r 一3 1 3 3 1t h ee f f e c t so fc u t t i n gp a r a m e t e r so nc u t t i n gt o o lw e a r j l 3 3 2t h ee f f e c t so fn o s er a d i u so fo nt o o lw e a r - 3 3 3 3 3t h ee f f e c t so fc o a t i n g so nt o o lw e a r 。3 3 3 4e f f e c t so f t o o lw e a ro nt h ec u t t i n gp r o c e s s 3 4 3 4 1e f f e c t so ft o o lw e a ro nc h i pg e n e r a t i o nm e c h a n i s m 3 5 3 4 2e f f e c t so ft o o lw e a ro i lt h ec u t t i n gf o r c e 3 8 3 4 3e f f e c t so ft o o lw e a ro nt h ec u t t i n gs t r e s sa n dt e m p e r a t u r ef i e l d 4 0 3 5c h a p t e rs u m m a r y 4 0 c h a p t e r4e f f e c t so f t o o lw e a ro nt h ec u t t i n gp r o c e s ss t a b i l i t y 4 1 4 1c u t t i n gs y s t e mm o d a lp a r a m e t e rd e t e r m i n a t i o n 斗j 4 2e x p e r i m e n t a ls t u d yo ft o o lw e a ro nt h ec u t t i n gs t a b i l i t y 4 3 4 3s y s t e ms t a b i l i t ys t u d i e sb a s e do ns p e c t r a ld e n s i t yr m s 4 4 4 3 1t h e o r e t i c a ls t u d yo nt h er m s o fs y s t e ms t a b i l i t y ，4 4 4 3 2e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o no ft h es t a b i l i t ym o d e l - 4 6 4 4s t u d vo ns v s t e r ns t a b i l i t yd o m a i nw h e nc u t t i n gt o o lw e a r i sc o n s i d e r e d 4 7 4 4 1f 1 u t t e rl i n e a rm o d e l 4 7 4 4 2s t u d yo ns y s t e ms t a b i l i t yd o m a i nc o n s i d e r i n gc u t t i n gt o o lw e a r 5 0 4 4 3s t a b i l i t yr e g i o nl i m i tp r e d i c t i o n ) 0 4 5c h a p t e rs u m m a r y - - 5 7 c h a p t e r5s u r f a c eq u e n c h i n ge f f e c to fd i es t e e lh a r ds t a t ec u t t i n g - 5 9 5 1c h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i so fm a c h i n e ds u r f a c ed a m a g e dl a y e r o fd i es t e e l 5 9 5 1 1s t u d yo nt h ed a m a g e dl a y e rg e n e r a t e dm e c h a n i s m - - 6 0 5 1 2e l e m e n t a la n a l y s i so f t h ed a m a g e dl a y e r 6 1 5 1 3c h a n g ei nt h ev o l u m eo f t h ed a m a g e dl a y e r 6 2 5 1 4g r a i nr e f i n e m e n to fw h i t el a y e r ，0 j 5 2t h et e m f e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dc h a n g i n gc o u r s ei nh a r dc u t t i n g 6 3 5 3d a m a g e dl a y e rc r i t i c a lc o n d i t i o nd e t e r m i n a t i o n 6 4 5 3 1d a m a g e dl a y e rc r i t i c a lc o n d i t i o nd e t e r m i n a t i o n 6 4 5 3 2s t u d vo nr a p i dt e m p e r a t u r er i s eo fc r l2 m o v t r a n s f o r m a t i o np o i n t 6 5 5 4s t u d yo nt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nh a r dc u t t i n g 6 6 5 5s t u d yo nd i es t e e lm a c h i n e ds u r f a c eh a r d e n e dm e c h a n i s m 6 8 一i x 哈尔滨理工大学工学媾学位论