蠕墨鑄鐵高速加工動(dòng)態(tài)力學(xué)特征研究.pdf

1、蠕墨鑄鐵是實(shí)現(xiàn)汽車高性能、輕量化與節(jié)能化的重要材料之一。作為一種典型的難加工材料，由于缺少準(zhǔn)確、可靠的蠕墨鑄鐵切削本構(gòu)模型，使得蠕墨鑄鐵切削加工仿真仍處于起步階段。因此，研究蠕墨鑄鐵在高溫、高應(yīng)變率條件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為變化規(guī)律，建立適合于描述蠕墨鑄鐵切削特征的本構(gòu)模型，并利用有限元仿真技術(shù)改善蠕墨鑄鐵可加工性，對(duì)深入了解蠕墨鑄鐵切削變形特征、優(yōu)化切削加工工藝、提升加工效率、加工質(zhì)量和降低加工成本具有重要意義。
　　本文基于準(zhǔn)靜態(tài)單

2、軸壓縮實(shí)驗(yàn)、高溫霍普金森壓桿實(shí)驗(yàn)和切削實(shí)驗(yàn)，結(jié)合理論分析與先進(jìn)材料檢測(cè)分析技術(shù)，研究了蠕墨鑄鐵在高溫（25~800℃）、高應(yīng)變率（0.01~12500 s-1）條件下的動(dòng)態(tài)力學(xué)行為特征；針對(duì)經(jīng)驗(yàn)Johnson-Cook模型存在的缺陷，提出一種考慮蠕墨鑄鐵動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和高溫弱熱軟化效應(yīng)的修正 J-C本構(gòu)模型；采用有限元方法建立了蠕墨鑄鐵高速切削有限元模型，模擬了切屑變形特征、切削力與切削溫度，經(jīng)切削實(shí)驗(yàn)分析對(duì)比，驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性；最后，

3、基于該有限元模型預(yù)測(cè)了刀具刃口鈍圓半徑、刀具前角與刀具涂層對(duì)蠕墨鑄鐵加工特征的影響，提出了改善蠕墨鑄鐵可加工性的方法。論文主要結(jié)論如下：
　?。?）對(duì)蠕墨鑄鐵在高溫、高應(yīng)變率條件下的流動(dòng)應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)了材料變形過程中存在明顯的應(yīng)變硬化效應(yīng)、應(yīng)變率硬化效應(yīng)、熱軟化效應(yīng)以及動(dòng)態(tài)軟化效應(yīng)（動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象）。引入溫度敏感因子和應(yīng)變率敏感因子分析了溫度與應(yīng)變率對(duì)流變行為的影響，發(fā)現(xiàn)蠕墨鑄鐵溫度敏感性隨溫度升高而減小，材料

4、在高溫高應(yīng)變率條件下存在高溫弱熱軟化效應(yīng)，切削溫度對(duì)蠕墨鑄鐵切削力影響較小。
　?。?）對(duì)蠕墨鑄鐵高溫、高應(yīng)變率條件下的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)研究，基于Arrhenius方程計(jì)算了材料動(dòng)態(tài)再結(jié)晶熱變形激活能，并采用應(yīng)力計(jì)算法找到了發(fā)生動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的條件與規(guī)律。
　?。?）蠕墨鑄鐵高溫、高應(yīng)變率條件下的微觀結(jié)構(gòu)演化主要表現(xiàn)為珠光體結(jié)構(gòu)的變化，溫度升高會(huì)加劇材料內(nèi)部片狀珠光體擠壓變形，高溫條件下片狀珠光體會(huì)發(fā)生脆性斷裂，甚至滲碳

5、體溶解；應(yīng)變速率增大會(huì)加劇珠光體球化和片狀珠光體的擠壓變形；蠕墨鑄鐵在高溫高應(yīng)變率條件下具有良好的綜合力學(xué)性能，并形成致密微觀組織結(jié)構(gòu)，加劇刀具-工件材料的擴(kuò)散磨損。
　?。?）基于Sima和?zel修正的TANH模型，建立了考慮蠕墨鑄鐵動(dòng)態(tài)再結(jié)晶和高溫弱熱軟化效應(yīng)的修正J-C本構(gòu)模型；利用分離變量法和因子篩選法擬合出修正模型中的材料常數(shù)。經(jīng)計(jì)算校驗(yàn)，該修正Johnson-Cook模型能夠較好反映材料在高溫、高應(yīng)變率條件下的應(yīng)力-

6、應(yīng)變曲線特征，解決了經(jīng)驗(yàn)J-C本構(gòu)模型在高溫、高應(yīng)變率條件下不再適用于描述蠕墨鑄鐵流變特征的問題。
　?。?）建立了蠕墨鑄鐵二維正交切削有限元模型與三維車削有限元模型，采用有限元仿真軟件DeformTMv11.0模擬了蠕墨鑄鐵切屑形貌特征、切削力與切削溫度，通過與車削實(shí)驗(yàn)的對(duì)比研究，驗(yàn)證了該有限元模型的準(zhǔn)確性。
　?。?）基于有限元分析發(fā)現(xiàn)，蠕墨鑄鐵在低切削速度下也能形成鋸齒狀切屑，鋸齒變形所需應(yīng)力遠(yuǎn)小于淬硬鋼。切屑變形過程

7、中，主變形區(qū)內(nèi)等效應(yīng)力呈梯度分布，應(yīng)變則集中在很窄的剪切帶內(nèi)，并沿著主變形區(qū)方向擴(kuò)展；隨著切削速度增大，鋸齒化程度系數(shù)和剪切角增大。鋸齒狀切屑周期性產(chǎn)生導(dǎo)致切削力隨時(shí)間也呈周期性變化，并伴隨明顯的振動(dòng)現(xiàn)象。同時(shí)，由于蠕墨鑄鐵存在高溫弱熱軟化效應(yīng)，切削速度的增大對(duì)切削力的下降并無明顯影響。隨切削速度增大，切削溫度明顯升高，最高溫度集中在刀尖處和刀具-切屑接觸區(qū)，在v=240 m/min時(shí)溫度可達(dá)868℃（2D model）和1120℃（3