来源：

　　　　王慧东(大连交通大学)

　　摘 要

　　高锰钢在较大的冲击载荷或接触应力作用下，其表面迅速产生加工硬化，并有高密度位错形变孪晶生成，形成高耐磨的表面层，从而具有很好的耐磨性。因此被广泛应用于冶金、矿山、建材、铁路、电力、煤炭等机械装备中，如铁路道叉、挖掘机的铲斗、破碎机锤头、球磨机衬板和坦克的履带板等。

　　高锰钢的原始硬度并不高，但其抗拉强度较高(约为45钢的2倍)，塑性很大(约为45钢的4倍)，韧性也特别高(约为45钢的8倍)。实验表明，在经受塑性变形之后，其奥氏体组织容易转变为细晶粒的马氏体组织，致使加工硬化特别严重，其硬化程度超过奥氏体不锈钢，能使硬度从原来的200HB左右提高到550HB左右，冷硬层深度可达0.3mm以上，高温下还容易形成高硬的氧化层。

　　高锰钢的这些力学物理性能，决定了它是一种很难an-T的材料。使用常规实验方法研究高锰钢，研究周期长，刀具材料耗费严重，实验成本高。而有限元方法作为实验方法的有效补充，能够动态模拟会属切削过程，有助于理解材料去除过程中发生的物理变化。如果能够使用有限元方法研究高锰钢钻削加工，则对选择刀具材料，优化刀具几何形状，降低研究成本，节省时间等有很大的帮助。

　　本论文主要研究高锰钢钻削加工过程的数值模拟问题，寻找合适的数值模拟方法，以替代传统的实验方法，从而缩短研究时间，降低研究成本。围绕高锰钢钻削加工过程的仿真与实验，研究了仿真过程中模型建立的方法及相关理论。利用商用塑性成形有限元DEFORM软件，建立高锰钢(ZGMnl3)材料的有限元模型。研究了麻花钻常规建模方法，并以麻花钻的刃磨原理及数学模型为理论基础建立了麻花钻的几何模型。动态模拟高锰钢钻削加工过程，获得了连续切屑、钻削力和扭矩等数据。模拟结果显示钻削高锰钢时进给量的增加导致钻削力增大，切削速度的增加使得钻削力减小。为了验证仿真的结果，采用与仿真相同的切削用量参数，进行高锰钢钻削实验。仿真结果与实验结果较接近，验证了仿真的有效性。可以为铁路道岔的生产实践提供理论指导和技术支持。为了配合课题组的研究工作，本文利用实验室现有的钻削测力仪组建了新的测试系统。现有的测量仪是大连理工大学设计生产的YDZ.1102压电钻削测力仪，其量程不能满足课题组实验要求。为此设计并增加了一些外围机构，组建了新的测试系统，扩展了测量范围，及时满足课题进展的需要，节省了开支。

　　关键词

　　高锰钢　有限元　钻削　DEFORM

　　{dy}章绪 论

　　1.1引言

　　道岔是高速铁路建设的重大基础装备。由于道岔具有数量多、构造复杂、使用寿命短、限制列车速度、养护维修投入大等特点，与曲线、接头并称为轨道的三大薄弱环节。随着铁路运输向高速化发展，行车速度和行车安全等对轨道结构性能要求相应提高，作为轨道结构薄弱环节之一的道岔，其技术性能、质量，已成为强化轨道结构、提高列车行车速度以及保证运输安全的关键性的限制因素。我国目前在道岔研究、设计、制造、铺设等方面的技术与德国、法国等高速道岔原创国家尚有一、二十年的差距。为确保我国客运专线的建设成功，铁道部制定了引进技术及自主创新研究并重，通过引进技术的消化吸收，打造中国道岔品牌。因此针对于铁路道岔的相关研究具有重大的意义。

　　我国铁路道岔现在使用的材料主要是ZGMn l3高锰钢。高锰钢由于其自身加工硬化严重、导热系数小、切削温度高、韧性高、延伸率大、断屑困难、线膨胀系数大、加工精度不易保证、切削力大等特性，属于难加工材料。高锰钢道岔孔加工，是道岔加工中的关键工序之一，研究高锰钢钻削机理、掌握钻削规律、提高钻削效率、保证加工精度与表面质量及降低加工成本，是企业面临的重要课题。

　　目前，对高锰钢钻削加工的研究，多数是通过实验的方法，优选刀具材料，变换刀具几何参数和切削用量，来改善高锰钢钻削加工效率。由于高锰钢的钻削加工困难，实验中刀具材料消耗严重，实验成本较高，给研究带来了较大的困难。随着有限元理论的成熟和计算机技术的飞速发展，运用有限元技术模拟金属切削过程，在尽可能少或无需物理实验的情况下，得到切削过程中的金属流动规律、应力场、应变场等信息，并据此设计选择刀具材料，优化刀具几何形状，提高产品的加工精度和表面质量，已成为一种行之有效的手段。

　　有限元方法在高锰钢钻削加工过程仿真中的成功应用，可以获得加工过程中的钻削力、扭矩以及温度分布，分析比较不同钻削速度下工件的温度变化以及应力的变化情况，进而帮助分析比较不同刀具、不同工艺的加工结果和影响因素。对优选刀具材料、合理确定{zj0}切削用量、降低刀具消耗、提高加工效率、降低加工成本等方面都有帮助，能够为难加工材料切削加工过程的有限元研究提供重要的实践依据，而且，能够为加快铁路道岔的研究速度，为实现高速铁路道岔的国产化提供重要帮助。

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