镁合金AZ31B低温冷却（液态CO2）切削加工机理研究

Magnesium alloy has high chemical activity, large coefficient of expansion and poor corrosion resistance, which lead to low machined surface quality of magnesium alloy parts and the cutting process be on fire, or even an explosion. Accordingly, this study intends to understand the influence of liquid CO2 on the shrinkage, hardness and corrosion resistance of magnesium alloys AZ31B. Through cutting experiments, it studied the influence of liquid CO2 on the cutting force and cutting temperature, and analyzed the friction process and tool wear in the tool-chip contact area. After researched on integrity of machined surface and surface defects of magnesium alloy workpiece in cryogenic cooling environment, it built a model to describe a relationship between magnesium alloy cutting condition in low temperature, surface integrity, and surface defects. Establishing the objective function of minimum surface defects (the optimal surface quality) and processing efficiency, it studied how to optimize magnesium alloy processing technology parameters (such as feed rate, depth of cut, cutting speed, and cutting tool geometry parameter) in cryogenic cooling cutting condition. The results of above research work will provide systematic theoretical support in field of optimizing process planning in cryogenic (liquid CO2) cutting magnesium alloy AZ31B.

镁合金化学活性大、膨胀系数大以及耐腐蚀性能差，导致镁合金零件已加工表面质量低，切削加工过程已发生起火，甚至爆炸。针对上述技术难题，本项目拟研究液态CO2低温冷却对镁合金AZ31B收缩性、材料硬度、腐蚀性能的影响规律；基于镁合金AZ31B切削试验，研究液态CO2对切削力和切削温度的影响作用，分析切屑-刀具间摩擦过程和刀具磨损规律。进行低温冷却环境下镁合金工件已加工表面完整性和表面缺陷研究，建立镁合金低温切削条件-表面完整性-表面缺陷关系描述模型；以最少表面缺陷（最优表面质量）和加工效率为目标函数，进行液态CO2低温冷却切削镁合金AZ31B加工工艺参数（如进给量、背吃刀量、切削速度、刀具几何参数）的优化研究，为低温(液态CO2)切削工艺的推广应用奠定基础。

镁是轻金属元素之一，具有较高的抗振能力和良好的吸热性能，因而是制造飞机轮毂和卫星零部件等的理想材料。但其燃点低、化学性质活泼，使用干式切削和常规切削液易引起火灾、爆炸等安全问题。针对上述技术难题，本项目进行镁合金AZ31B低温冷却（液态CO2）切削加工机理研究，其主要成果包括：.（1）进行镁合金AZ31B在不同温度下的准静态拉伸试验，对镁合金AZ31B液态CO2低温力学性能进行研究；探究液态CO2低温冷却对镁合金AZ31B耐腐蚀性能的影响；优化与改进镁合金AZ31B的动态力学性能的J-C本构模型，建立AZ31B、TC4、GH4169的J-C本构模型；利用ABAQUS有限元仿真软件建立硬质合金刀具车削AZ31B、TC4、GH4169的有限元仿真模型，并对该有限元仿真结果进行分析。.（2）研究液态CO2渗入切削区毛细管行为，建立液态CO2渗入毛细管动力学模型，分析刀具-切屑间液态CO2形成的边界润滑层模型，计算其摩擦系数，并对液态CO2冷却作用下刀-屑接触区长度进行有限元仿真；进行车削试验并检测切削力、切削温度，分析不同切削条件对切削力和切削温度的影响；通过进行不同刀具车削镁合金AZ31B的对比实验，分析不同切削参数与冷却条件对刀具磨损的影响。.（3）通过单因素液态CO2低温切削镁合金AZ31B试验，进行表面粗糙度检测与分析，揭示切削参数对表面粗糙度的影响规律，获得表面粗糙度与切削参数的映射关系；进行微观组织的塑性变形和表层加工硬化检测与分析，揭示切削参数对微观组织的塑性变形和表层加工硬化影响规律，获得微观组织的塑性变形和表层加工硬化与切削参数的映射关系；结合仿真和试验对表面残余应力进行研究，获得表面残余应力与切削参数的映射关系。.（4）进行车削AZ31B镁合金的正交试验，通过计算极差值得到不同切削参数对表面粗糙度的影响主次，进一步分析每种因素对表面粗糙度的影响趋势；建立表面粗糙度经验公式，采用最小二乘法对经验公式进行求解，得出表面粗糙度的预测模型，并对其进行显著性检验；建立切削参数的优化模型并通过遗传算法进行求解，得到切削参数的最优解；进行液态CO2低温冷却切削镁合金AZ31B表面缺陷分析。.上述成果为镁合金等航空航天用典型材料的高效安全绿色切削加工工艺、低温切削技术的推广与应用提供理论基础与技术支持。

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