水室封头作为核岛蒸发器的关键零件,材料为高强度508Ⅲ钢,工件毛坯为整体锻造成型,尺寸、重量和加工余量均非常大。零件的特大尺寸和加工余量以及材料的特殊难加工性决定了其制造过程为极端制造,主要切削加工方式为重型铣削。材料的难加工性、70%以上的材料去除率以及重型切削参数导致硬质合金刀具在水室封头零件重型铣削过程中失效严重、刀具寿命低。因此,进行水室封头铣削过程刀具损伤演化和失效机理研究,对硬质合金刀具的切削性能和失效进行定性和定量研究,为提高刀具切削性能和零件加工效率提供技术与理论基础。根据水室封头现场重型铣削加工参数,设计实验室条件下的模拟铣削试验,采用测力仪和半人工热电偶法,结合切削仿真技术,确定水室封头重型铣削刀具承受的热-机械载荷特性;在考虑圆形刀具切削区域不规则性和特殊几何参数的前提下,建立圆形刀刃非对称铣削切削力数学模型,并基于切削热源与热传导理论建立刀-屑接触面切削温度模型。通过水室封头现场加工试验,确定刀具的主要失效形式及其损伤演化规律;水室封头材料重型铣削过程中硬质合金刀具承受巨大的热-机械载荷作用,刀具前刀面、后刀面与工件材料发生剧烈的挤压和摩擦,导致刀具前刀面出现严重的月牙洼磨损和后刀面磨损,磨损机理主要包括磨料磨损、扩散磨损和粘结磨损。元素扩散是刀具扩散磨损和粘结磨损的主要因素之一,对刀具-工件间元素扩散进行定量分析,建立元素扩散浓度模型,并进行硬质合金材料与工件材料的元素扩散试验,对模型进行验证;基于主要磨损机理的磨损速率模型,建立月牙洼磨损速率模型,通过试验结果确定刀具月牙洼磨损形貌数据及模型参数,进行刀具磨损预测。进行刀具疲劳和冲击破损形貌研究,分析刀具的损伤状态;基于脆性断裂裂纹扩展理论和Paris疲劳裂纹扩展理论,进行刀具破损过程裂纹的扩展应力条件和疲劳裂纹扩展规律研究,确定刀具的破损条件和形成机理;依据固体本构和损伤力学理论,建立硬质合金刀具材料的损伤本构模型,确定模型耦合的损伤变量;从材料学角度,进行热-机械载荷作用下硬质合金材料性能试验,研究刀具材料的高温力学性能,为刀具损伤过程和失效的定性和定量研究提供数据和基础。疲劳是刀具损伤的演化过程,冲击断裂随机发生在这个过程中,同时也是刀具疲劳破损的最终失效形式。依据刀具承受的循环载荷特性和损伤力学,建立其低周和高周疲劳损伤模型,对刀具材料的疲劳演化过程进行数值描述;采用高温强度试验与仿真结合的方法,确定模型中硬质合金材料的损伤参数,并进行刀具疲劳仿真,确定刀具在循环载荷作用下的疲劳损伤极限;基于经典强度理论,建立包含切削参数的刀具冲击断裂判据,为切削参数优选及刀具强度计算提供理论与技术参考;通过刃口参数优选提升刀具的抗冲击性能;采用不同硬质合金刀具进行水室封头材料铣削试验,研究切削参数对刀具失效的影响,并优选切削刀具。