铸&锻高温合金GH4198锯齿形切屑的成形机理

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.240390

华南理工大学学报(自然科学版) ›› 2025, Vol. 53 ›› Issue (5): 32-44.doi: 10.12141/j.issn.1000-565X.240390

铸&锻高温合金GH4198锯齿形切屑的成形机理

靳淇超¹^,², 李军¹, 汪亮亮³, 谭海兵³, 李福林⁴, 付锐⁴, 孟令超⁴, 郭磊¹

^1.长安大学道路施工技术与装备教育部重点实验室，陕西西安 710064
^2.中国航发西安航空发动机有限公司，陕西西安 710021
^3.中国航发四川燃气涡轮研究院，四川成都 610500
^4.北京钢研高纳科技股份有限公司，北京 100081

收稿日期:2024-07-30 出版日期:2025-05-25 发布日期:2024-09-27
通信作者: 郭磊（1986—），男，研究员，主要从事精密与智能制造技术研究。 E-mail:lguo@chd.edu.cn
作者简介:靳淇超（1986—），男，博士，高级工程师，主要从事航空难加工材料切削加工表面完整性与抗疲劳制造研究。E-mail： jinqichao@chd.edu.cn
基金资助:
中国博士后科学基金面上项目(2024M762450)

Mechanism of Saw Tooth-Shaped Chip Formation in Cast & Wrought High-Temperature Alloy GH4198

JIN Qichao¹^,², LI Jun¹, WANG Liangliang³, TAN Haibing³, LI Fulin⁴, FU Rui⁴, MENG Lingchao⁴, GUO Lei¹

^1.Key Laboratory of Road Construction Technology and Equipment of MOE，Chang’an University，Xi’an 710064，Shaanxi，China
^2.AECC Xi’an Aero-Engine Ltd. ，Xi’an 710021，Shaanxi，China
^3.Sichuan Gas Turbine Establishment，Aero Engine Corporation of China，Chengdu 610500，Sichuan，China
^4.Gaona Aero Material Co. ，Ltd. ，Beijing 100081，China

Received:2024-07-30 Online:2025-05-25 Published:2024-09-27
Contact: 郭磊（1986—），男，研究员，主要从事精密与智能制造技术研究。 E-mail:lguo@chd.edu.cn
About author:靳淇超（1986—），男，博士，高级工程师，主要从事航空难加工材料切削加工表面完整性与抗疲劳制造研究。E-mail： jinqichao@chd.edu.cn
Supported by:
the China Postdoctoral Science Foundation(2024M762450)

摘要/Abstract

摘要：

为揭示铸&锻高温合金GH4198锯齿形切屑的成形机理，并通过理论模型预测切屑形貌，开展了直角切削实验，再基于滑移线场模型预测切屑的几何形状，分析切削参数对切屑成形的影响。提出了考虑刀具钝圆半径的三阶段锯齿形切屑成形模型，建立了二维正交切削的热力耦合有限元模型，并通过实验验证有限元模型的合理性。基于仿真得到的切屑形成过程的应力、等效塑性应变和温度等参数的变化，分析了锯齿形切屑的成形机理。结果表明：剪切角随切削速度和进给量的增加而增大，切屑厚度随切削速度的增大而减小；切削速度为10、20和30 m/min时，切屑厚度预测值的相对误差分别为4.20%、12.34%和24.73%，最大切屑厚度压缩比分别为3.19、2.78和2.26，切屑锯齿化程度分别为0.20、0.36和0.58；切削速度为30 m/min时，切屑出现明显裂纹，且锯齿齿形整体倾斜；刀具进给量为0.05、0.10和0.15 mm/r时，最小切屑厚度预测值的相对误差分别为17.66%、8.66%和5.07%，最大切屑厚度压缩比分别为2.82、2.78和2.61，切屑锯齿化程度分别为0.12、0.36和0.42；滑移线场模型能有效预测切屑厚度随切削参数的变化；随切削速度和进给量的增大，切屑厚度压缩比呈减小趋势，锯齿化程度增大且增大趋势逐渐减缓。该文还通过有限元仿真分析了刀具钝圆半径对切屑成形的影响，验证了锯齿形切屑成形理论模型的有效性。

关键词: 铸&锻高温合金GH4198, 锯齿形切屑, 滑移线场, 有限元分析, 切屑成形机理

Abstract:

In order to reveal the formation mechanism of saw tooth-shaped chips in cast & wrought high-temperature alloy GH4198 and predict chip morphology through theoretical models, orthogonal cutting experiments were conducted. Based on the slip line field model, the geometric shape of the chips was predicted, and the influence of cutting parameters on chip formation was analyzed. A three-stage formation model of saw tooth-shaped chips considering the tool edge radius was proposed, and a two-dimension orthogonal cutting thermo-mechanical coupled finite element model was established, with its rationality being verified through experiments. By analyzing the variations of stress, equivalent plastic strain and temperature during the chip formation obtained from simulations, the formation mechanism of saw tooth-shaped chips was investigated. The results show that the shear angle increases with the increase in cutting speed and feed rate, while the chip thickness decreases with the increase in cutting speed. At the cutting speeds of 10, 20 and 30 m/min, the relative errors of the predicted chip thickness are respectively 4.20%, 12.34% and 24.73%, the maximum chip thickness compression ratios are respectively 3.19, 2.78 and 2.26, and the chip serration degrees are respectively 0.20, 0.36 and 0.58. At a cutting speed of 30 m/min, obvious cracks appear in the chips, and the saw teeth exhibit an overall inclined shape. At the feed rates of 0.05, 0.10 and 0.15 mm/r, the relative errors of the predicted minimum chip thickness are respectively 17.66%, 8.66% and 5.07%, the maximum chip thickness compression ratios are respectively 2.82, 2.78 and 2.61, and the chip serration degrees are respectively 0.12, 0.36 and 0.42. The slip line field model effectively predicts the variation of chip thickness with cutting parameters. With the increase in cutting speed and feed rate, the chip thickness compression ratio shows a decreasing trend, while the serration degree increases with a gradually slowing trend. Additionally, the influence of the tool edge radius on chip formation was analyzed through finite element simulation, and the effectiveness of the theoretical model for saw tooth-shaped chip formation was verified.

Key words: cast &, wrought high-temperature alloy GH4198, saw tooth-shaped chip, slip line field, finite element analysis, chip forming mechanism

中图分类号:

TG506.7

靳淇超, 李军, 汪亮亮, 谭海兵, 李福林, 付锐, 孟令超, 郭磊. 铸&锻高温合金GH4198锯齿形切屑的成形机理[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2025, 53(5): 32-44.

JIN Qichao, LI Jun, WANG Liangliang, TAN Haibing, LI Fulin, FU Rui, MENG Lingchao, GUO Lei. Mechanism of Saw Tooth-Shaped Chip Formation in Cast & Wrought High-Temperature Alloy GH4198[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2025, 53(5): 32-44.

图/表 16

表1

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参考文献 25

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成分	质量分数/%		质量分数/%
Cr	13.000	Nb	1.000
Co	20.500	Ta	2.500
W	2.300	C	0.050
Mo	3.800	B	0.015
Ti	3.800	Zr	0.050
Al	3.400	Ni	余量

参数	数值
密度/（g·cm^-3）	8.30
热传导率/（W·m^-1·K^-1）	23.2
比热容/（J·g^-1·K^-1）	1.08
热扩散系数/（mm²·s^-1）	2.61
弹性模量/GPa	229
泊松比	0.28

参数	取值		取值
初始屈服强度/MPa	1 183.895	应变率强化系数	0.059
应变强化系数/MPa	1 156.603	热软化系数	1.586
加工硬化指数	0.541	参考应变率	0.001

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铸&锻高温合金GH4198锯齿形切屑的成形机理

Mechanism of Saw Tooth-Shaped Chip Formation in Cast & Wrought High-Temperature Alloy GH4198

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