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淬硬钢硬态车削表面白层与残余应力研究

【摘要】:在淬硬钢的加工中,硬态切削越来越受到业界的关注。它有着更高的加工效率,能够得到较好的表面精度,加工柔性好,适用于加工形状更为复杂的零件,同时可以不使用切削液实现绿色制造。然而,硬态切削特别是硬态干式切削中,刀具与工件之间剧烈的相互作用导致的局部高温、高应力、高应变、高应变率必然引起已加工表面及近表层材料微观结构的变化,使得近表层产生残余应力,更在某些工况下,会使得表层产生一层硬而脆,经抛光腐蚀后在光学显微镜下呈白色的组织,即白层。这些问题的产生将极大程度影响工件的疲劳寿命。针对上述问题,本文的研究内容主要包括:第一、对不同的热处理后轴承钢GCr15加工表面白层及残余应力进行了研究。通过不同的热处理获得不同的金相组织,研究了不同金相组织的材料切削加工表面白层的形成与残余应力的分布,并利用XRD、SEM、金相显微镜等手段对白层微区形貌及物相进行观测分析。研究了不同热处理后工件表层白层形成的切削速度阈值,并对白层形貌及其形成原因进行了分析。第二、对白层形成与残余应力分布之间的相互关系进行了研究。通过对白层厚度变化与表面残余应力变化的对照分析,发现白层形成所伴随的高温对残余应力的影响比所伴随的相变导致的体积变化的影响更为显著;实验分析了不同走刀次数对白层形成、残余应力以及残余奥氏体含量的影响,并进一步总结了三者之间的关系。第三、对国内外现有的切削仿真切屑分离方式进行了归纳和优劣势分析,建立了多次走刀切削残余应力预测模型。该有限元模型基于含欧拉和拉格朗日边界的ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)模型,结合使用了隐式分析与显示分析,省时高效且结果直观。基于所建立的残余应力模型,对多次走刀切削时GCr15工件表层残余应力分布的变化规律进行了分析。

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