铸铁材料切削仿真中本构模型建立及其在PCBN刀具优化设计中的应用

研究人员针对铸铁刹车盘加工中PCBN刀具几何参数优化难题，通过Split Hopkinson压杆试验、高温硬度测试和车削实验建立了FC220P铸铁的Power-Law本构模型，开发出仿真误差<10.8%的切削仿真系统，最终获得刃口半径30μm、倒棱宽度10μm、角度15°的最优刀具参数，为铸铁加工刀具设计提供重要指导。

　　

在汽车制造业中，铸铁刹车盘因其优异的导热性和耐磨性占据90%市场份额，但其加工过程面临严峻挑战——传统试错法优化聚晶立方氮化硼（PCBN）刀具耗时耗力。更棘手的是，现有研究多聚焦钢材加工，针对铸铁材料的本构模型和刀具设计研究近乎空白，导致加工效率低下、刀具寿命不可控。

为解决这一行业痛点，山东卓恩精密机械有限公司（Zone-De）的研究团队开展了一项突破性研究。他们发现切削仿真的精度高度依赖材料本构模型，而铸铁在高速切削下的动态力学行为尚未被准确描述。这项发表于《Journal of Materials Research and Technology》的研究，首次建立了涵盖应变强化、温度软化等多因素耦合的FC220P铸铁本构模型，并通过创新性实验设计将仿真误差控制在10.8%以内。

研究团队采用四大关键技术：Split Hopkinson压杆测试获取10²-10⁴ s^-1应变率下的应力-应变曲线；激光导热仪测定25-1000°C区间热物性参数；高温维氏硬度试验量化热软化效应；等材料去除率车削实验标定摩擦系数（μ=0.3）。

【材料动态性能测试】通过Φ2×2mm试样在0.08-0.24MPa冲击压力下的SHPB试验，发现铸铁流动应力随应变率提升显著强化，3080 s^-1时参考屈服强度达525.35MPa。

【热物理特性建模】特定热容C_p随温度升高呈多项式增长（25°C时0.46 J/g·K→1000°C时0.72 J/g·K），而导热系数K则从47.6 W/m·K降至32.1 W/m·K，这种逆向变化直接影响切削热分配。

【热软化效应修正】高温硬度测试揭示HV硬度从175.7（25°C）线性降至132.4（1000°C），据此建立的θ(T)=1-7.36×10^-4T+3.21×10^-7T²模型，有效消除了绝热温升对应力曲线的干扰。

【刀具参数优化】基于AdvantEdge软件的仿真显示：刃口半径30μm时米塞斯应力最低（1495MPa），而10μm倒棱宽度+15°角组合使切削温度较基准降低12%，该设计使刀具综合性能达到最优平衡。

这项研究的意义在于：首次建立了适用于铸铁刹车盘加工的完整仿真体系，其提出的"应变硬化系数n=8.36、应变率敏感系数m=11.61"等关键参数填补了领域空白。更值得关注的是，优化后的PCBN刀具几何参数可直接应用于生产线，预计可提升加工效率20%以上。该成果不仅为铸铁切削机理研究提供新范式，其"实验标定-模型构建-仿真验证"的方法论对其它难加工材料研究也具有重要借鉴价值。