水室封头是核电站设备的关键零件,具有质量大、体积大、型面复杂等特点,材料为高强钢508Ⅲ钢,从毛坯加工至成品材料去除率可达70%以上,加工方式属于典型的极端制造,主要为重型铣削加工。在重型切削过程中切削参数大、刀具所受冲击作用大,切削力、热变化剧烈,要求刀具有较高的硬度和较好的冲击韧性,但是硬质合金刀具在大量的切削热作用下,会发生局部塑性化和塑性变形,为刀具材料原始存在的微裂纹、微孔洞等缺陷结构扩展提供了条件,并在循环的机械载荷的作用下,损伤不断演化,最终导致刀具加速磨损和断裂失效。因此,基于损伤力学进行硬质合金刀具热力作用下损伤特性分析,研究结果可为揭示重型铣削中硬质合金刀具材料损伤的本质,解决重型铣削刀具失效问题和提高加工效率提供依据,具有较重要的理论与实际意义。首先,进行铣削水室封头试验,基于试验数据,采用正交分析的方法,建立铣削力、铣削温度经验模型,并结合有限元仿真软件,确定铣削温度、铣削力的大小,最后通过试验与仿真数据对比研究,为研究刀具材料的裂纹扩展和损伤失效提供依据。其次,在切削过程中,刀具前刀面、刀尖处会受到机械应力、热应力的综合作用,基于硬质合金刀具材料承受低循环和高冲击的热-机械载荷,探讨刀具热-机械应力分布特性;通过热-力耦合仿真分析对应力场、应变场和温度场进行研究,为进一步研究刀具材料损伤特性提供参考。再次,采用断裂力学理论,并确定循环次数与裂纹长度的关系,建立刀具材料裂纹扩展模型;探讨硬质合金刀具材料在外部载荷作用下的力学性能,进行霍普金森压杆实验,通过控制压杆冲击载荷及温度,探究硬质合金刀具材料应力-应变关系,为进一步研究刀具材料的损伤机理提供依据。最后,采用断裂力学与损伤力学理论,对硬质合金刀具材料临界应力、疲劳累积损伤进行研究;刀具受到循环热-机械载荷,热-机械冲击载荷等作用,导致刀具损伤失效,通过建立刀具失效判据,为刀具设计及提高刀具寿命提供依据。