摘 要

304奥氏体不锈钢具有优良的力学性能、耐蚀能力，较为突出的冷变形能力，无磁性，广泛应用于医疗、核电、航空、船舶等领域。304奥氏体不锈钢导热率低，切削加工时热量不易扩散，切削温度高，加工硬化严重，刀具易磨损。本文采用激光预热辅助切削（Laser-Assisted-Machining，LAM）技术，通过仿真与实验研究304奥氏体不锈钢在激光预热条件下不同刀具参数对工件表面质量的影响，主要包括：

利用COMSOL有限元软件针对旋转圆柱工件上轴向平移的激光热源建立一个三维瞬态传热模型，获得在预定激光参数下工件材料加热区域温度分布。

通过将激光预热加热温度作为常规车削的初始温度条件，建立304奥氏体不锈钢激光预热辅助车削有限元仿真，利用Abaqus进行有限元仿真计算，得到主切削力最小的一组刀具参数。

对304奥氏体不锈钢进行激光预热辅助切削实验验证，通过仪器测量以及MATLAB软件直观分析结果可知，基于LAM技术，在刀具前角和后角处于6°~10°范围内，刀具前角增大会使切削力和硬化层厚度降低，刀具后角影响不大；而对于表面粗糙度，刀具前角和后角增大都会使表面粗糙度降低。

关键词：激光预热辅助车削；304奥氏体不锈钢；温度分布；切削力；表面质量

Abstract

304 austenitic stainless steel has excellent mechanical properties, corrosion resistance, outstanding cold deformation ability, non-magnetic, widely used in medical, nuclear, aviation, shipping and other fields. 304 austenitic stainless steel has low thermal conductivity, difficult heat diffusion during cutting, high cutting temperature, severe work hardening and easy tool wear. In this thesis, Laser-Assisted-Machining (LAM) technology is used to study the effects of different tool parameters on the surface integrity of 304 austenitic stainless steel under laser preheating conditions through simulation and experiment. It mainly includes:

A three-dimensional transient heat transfer model is established by using COMSOL finite element software aiming at the laser heat source moving axially on the rotating cylindrical workpiece, and the temperature distribution in the heating area of the workpiece material under the predetermined laser parameters is obtained.

By taking the laser preheating heating temperature as the initial temperature condition of conventional turning, the finite element simulation of laser preheating assisted turning of 304 austenitic stainless steel was established. The finite element simulation calculation was carried out with Abaqus, and the model was verified by experiment with the main cutting force.

To laser of 304 austenitic stainless steel preheating auxiliary cutting experiment, the results through the analysis of the instrument is intuitive and MATLAB software, based on the LAM, technique, in cutting tool rake Angle and back Angle in 6 ° ~ 10 ° range, cutting tool rake Angle increase will lower the cutting force and the thickness of hardening layer, the cutting tool Angle after little impact;For the surface roughness, the increase of the tool's front and back angles will reduce the surface roughness.

Keyword：Laser-Assisted turning；304 austenitic stainless steel；Temperature distribution；Cutting force；The surface integrity

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.1.1 304奥氏体不锈钢的材料特性与难加工性 1

1.1.2 激光预热辅助切削技术（laser-asssted machining）概述 2

1.1.3 切削表面完整性组成要素 2

1.2 国内外研究现状 4

1.2.1 激光预热辅助车削加工研究 4

1.2.2 LAM温度场仿真研究 5

1.2.3 切削表面质量研究 6

1.3 论文主要内容和组织结构 6

第2章 激光预热温度场与激光预热辅助车削仿真 1

2.1 引言 1

2.2 温度场仿真试验 1

2.2.1 激光热源模型 2

2.2.2 热传导理论 3

2.2.3 有限元仿真结果 3

2.3 车削仿真实验 7

2.3.1 材料模型的本构关系 7

2.3.2 有限元模型基本设置 8

2.2.3 有限元仿真结果 12

2.3本章小结 12

第3章 激光预热辅助车削试验与测试 13

3.1 引言 13

3.2 实验准备与实验平台的搭建 13

3.2.1 实验装置与实验材料 13

3.2.2 试验参数 14

3.2.3刀具角度刃磨及测量 15

3.2.4实验平台搭建 17

3.3激光预热车削试验 18

3.4实验结果测量 20

3.4.1粗糙度测量 20

3.4.2显微硬度测量 22

3.5本章小结 22

第4章 304奥氏体不锈钢切削加工性分析 23

4.1 引言 23

4.2 刀具参数对切削力的影响 23

4.2.1切削力数据处理与记录 23

4.2.2切削力直观分析 24

4.3刀具参数对粗糙度的影响 27

4.4 加工硬化研究 28

4.5本章小结 29

第五章 经济性与环保性分析 30

5.1 经济性分析 30

5.2 环保性分析 30

第六章 总结与展望 31

6.1 总结 31

6.2 展望 31

参考文献 33

致 谢 36

附 录 Abaqus热源Fortran子程序 37

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 304奥氏体不锈钢的材料特性与难加工性

本文研究对象是304奥氏体不锈钢，304为美国ANSI不锈钢牌号，对应中国GB1220国标牌号为0Cr18Ni9，304奥氏体不锈钢具有优良的物理化学性能，洛氏硬度≤90HRC，其热物理参数如表1.1所示，在医疗、核电、航空、船舶等领域有着广泛的应用。同时，该材料的优良材料特性也导致了其具有难加工性，体现在以下四个方面^[1-7]：

1. 切削力大，温度高。304奥氏体不锈钢塑性大，韧性好，故切削抗力随之增大。因为304奥氏体不锈钢导热能力差，加工时刀具与工件的摩擦和切屑的塑性变形产生的热量使切削温度不断升高。
2. 加工硬化严重，刀具易磨损。304奥氏体不锈钢切削加工时的塑性变形会造成金属晶格变形严重，产生的硬化层会使下一步切削力增大，从而加剧刀具磨损，降低刀具寿命。
3. 切屑不易折断、易粘结。切削时断屑困难，这些连续的切屑易划伤工件加工表面。在高温影响下，其他金属容易和304奥氏体不锈钢反应，产生刀-屑粘附现象，进而影响加工表面完整性。
4. 加工精度和表面质量难以控制。304奥氏体不锈钢的线膨胀系数大，切削时的热量会引起零件热变形，导致加工精度和表面质量难以控制。

为了改善304奥氏体不锈钢的可加工性，学者们大多通过研究切削参数以及提高刀具耐热性这两种途径进行优化，在刀具结构参数设置方面的研究很少，但刀具参数设置的不合理会导致加工质量下降，生产效率降低，能耗增加，生产成本增加^[8]。而研究用激光预热切削方法加工304奥氏体不锈钢的学者更是少之甚少，因此，本文主要研究在激光预热的条件下，刀具参数的不同对304奥氏体不锈钢进行加工分析，通过测量切削力和已加工表面完整性来反映其加工性。

表1.1 304奥氏体不锈钢的主要热物理参数

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