一、课题来源与背景 课题来源于黑龙江省青年科学基金"基于力热耦合作用的镍基高温合金叶片类零件切削参数优化研究"。 高温合金又称耐热合金，主要特点是含有较多的高熔点、高激活能合金元素，具有高温强度高、热稳定性和抗热疲劳性好等特点，其中镍基高温合金使用温度最高，在高温合金领域占有特殊重要的地位，能够在高温燃气条件下长期工作，是火箭发动机、航空喷气发动机和发电汽轮机中广泛采用的金属材料，是难切削材料。由于镍基高温合金的强度高，塑性大，切削加工时切削变形大，加工硬化现象严重，单位切削力大，切削温度高，切屑粘刀，刀具加工过程中磨损剧烈，产品表面质量和精度不稳定，从而影响了加工效率。由于切削加工工艺的高难度，镍基高温合金的高效、精密制造技术已经成为我国火箭型号研制、批生产加工的瓶颈。 二、研究目的与意义 本项目以高速切削镍基高温合金零件加工过程为背景，对镍基高温合金所特有的热变形行为特征和微观组织演化规律进行系统深入的研究，针对加工过程产生的切削热对零件加工表面残余应力和微观组织形貌的影响，建立材料本构模型，采用热力耦合有限元理论对加工表面切削温度、切削力以及残余应力进行仿真，得到了加工表面切削温度、切削力和残余应力的分布规律。 本项目为高速加工镍基高温合金零件切削参数的优化提供了一项试验依据，对镍基高温合金零件的高速精密加工具有重要的理论研究价值和实际的应用意义。在以上切削实验及模拟实验研究、理论探索和数字模拟仿真分析的基础上，以求建立起超高速加工切削学研究体系，并用于指导切削加工的工程实践。 三、主要论点与论据 （1）切削参数的选择影响镍基高温合金加工质量 利用试验方法建立镍基高温合金材料的本构关系模型，采用有限元技术，对高速状态下的切屑形成和分离、切削热的分布和传递、切削力的大小和变化等动态过程进行仿真，揭示难加工材料高速加工过程中切削力、切削热的变化规律，寻找不同切削参数和加工质量及加工效率之间的相互作用关系，再通过切削加工试验测量实际产生的切削力来调整模型设置条件，直至由模型模拟得到的切削力与试验测得的切削力之差在许可范围内为止，此时得到的温度场近似认为是铣削加工工件表面的温度场。对仿真结果进行验证和分析，从而保证仿真过程可以正确反映出实际加工的特点。这部分的研究可以为高速切削试验的加工参数选择提供依据，减少试验次数，降低生产成本。 （2）镍基高温合金材料在多场耦合作用下加工层材料学行为发生演变 探索难加工材料已加工表面和表面层形成机理，研究高速切削加工表面层材料变质行为的演变过程，研究高速切削加工参数对表面层变质行为的影响规律，建立切削条件和表面变质层行为的关系描述模型。 针对镍基高温合金在加工过程中微观组织演变存在多种变形工艺条件和多种动力学机制的交互作用的问题，对切削温度、切削力和表面残余应力进行有限元仿真，然后通过试验对切削力和加工后的零件表面微观形貌进行研究，探索镍基高温合金不同切削参数对表面残余应力的影响规律，达到改善镍基高温合金切削加工后的表面完整性。 （3）难加工材料切削参数对加工质量的影响规律 考虑难加工材料的高速切削工艺过程特点，结合模态试验，建立切削过程动力学模型，分析切削参数对难加工材料加工质量的影响规律。通过分析加工质量、加工时间、刀具磨损、切削力、切削温度等各因素的权重，确定优化目标和优化变量，再以实际加工现场条件和加工经验作为约束条件，建立切削工艺参数优化模型。运用遗传算法和统计学理论，对优化模型进行求解，得到不同目标函数和约束状态下的切削参数选择范围。 四、创见与创新 镍基高温合金复杂曲面加工问题是高效加工关键共性技术，通过复杂加工过程中的工艺系统的动态特性变化规律的研究，进而获取适合不同加工阶段无颤振、优化的切削工艺参数。该研究成果还可以推广到燃气轮机、汽轮机等行业，并在全国起到示范作用。在此基础上，大力开展真正意义的难加工材料复杂曲面高速加工技术的研究和应用，完善和推广叶轮叶片加工工艺参数数据库，以达到大幅度提高难加工材料复杂曲面的加工效率之目的。本研究成果对实现叶轮叶片类难加工材料复杂型面零件的高效加工具有重要的现实意义与工业应用前景。 五、社会经济效益，存在的问题 以黑龙江科技大学（具有军品承制单位资质）承接的某型号飞机辅助发动机的制造任务为例。通过采用上述成果，试切时间从120～180分钟减少到60～100分钟以内，加工时间从24小时减少到现在的18小时，表面粗糙度从1.6μm减小到0.8μm。加工效率约提高了25%；应用课题组研发的切削参数数据库，车削速度达到810m/min，铣削速度达到1037m/min，经过切削参数的优选，叶片粗、半精加工时间原来约11.4小时，现在约9小时，加工效率提高了21.1%。所取得的经济效益 六、历年获奖情况 　　2013年"航空航天、电力领域叶轮叶片等复杂型面的零件的高效制造"获黑龙江省科学技术进步奖二等奖。

黑龙江科技大学

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