高速切削钛合金表层特性对疲劳性能影响规律研究
发布时间：2021-09-08 10:44
近年来,由于以钛合金为材料的加工零部件具有轻量化、高可靠性和长服役寿命等优点,使其在航空及国防等领域的使用率逐年提高。然而由于钛合金的高硬度和脆性使其加工性能极差,难以获得理想的切削表层,而钛合金零件疲劳失效时的疲劳裂纹多起始于表面或表层部位。因此,切削表层特性的研究对提高钛合金零件的抗疲劳性能具有重要意义。本文以Ti-6Al-4V和TA2为研究对象,探究高速切削钛合金表层特性对疲劳性能的影响规律,主要研究方法和成果如下:1.对Ti-6Al-4V进行单因素车削试验,对切削后的表面形貌进行观察,探究高速切削Ti-6Al-4V表面形貌的形成规律。对不同切削表面形貌的疲劳试样进行高周疲劳试验,并结合Peterson模型探究高周疲劳寿命对切削加工形貌的敏感度,研究表明:有效应力集中系数Kf随表面形貌的恶化而逐渐增大,有效应力集中系数Kf与疲劳寿命之间呈反比关系;Ti-6Al-4V的高周疲劳断裂形式存在塑性断裂,表面形貌的加工质量越差,韧窝尺寸越大、深度越浅、塑性断裂程度越大。2.针对钛合金切削表层的高温氧化现象,对TA2和Ti-6Al-4V进行对比研...
【文章来源】：沈阳理工大学辽宁省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钛合金切削表层Fig.1.1Titaniumalloycuttingsurfacelayer
-7-为解决以上在表层特性对疲劳性能影响的研究中存在的问题，本文以钛合金Ti-6Al-4V和工业纯钛TA2为研究对象。首先通过高速切削试验加工Ti-6Al-4V疲劳试样，对切削过程中切削力、切削振动加速度试样得到的数据进行分析处理，建立单自由度工件-刀具振动系统动力学模型及刀具刀尖运动轨迹方程，并结合切削表面形貌观察试验的结果，探究随进给量变化时钛合金Ti-6Al-4V切削表面形貌的形成机理；对加工后的Ti-6Al-4V疲劳试样进行高周疲劳试验，并结合切削形貌形成特性研究的结果，建立Peterson模型分析表面形貌对疲劳寿命的影响；对疲劳断口进行分析，探究Ti-6Al-4V试样随进给量变化时疲劳裂纹的萌生与扩展规律。其次，通过基于密度泛函理论的第一性原理分析钛合金Ti-6Al-4V和工业纯钛TA2的切削氧化层的形成机理；并通过高速切削试验加工疲劳试样，通过对疲劳断口进行观察，结合切削氧化层的形成机理分析表层特性对钛合金疲劳性能的影响规律。本论文框架结构如图1.2所示。图1.2论文框架Fig.1.2Paperframework
-10-图2.1切削力测量工作系统示意图Fig.2.1Schematicdiagramofworkingsystemforcuttingforcemeasurement图2.2为切削力均方根值随进给量变化图，从图中可以看出，随进给量得增大，切削力的均方根值逐渐增大。图2.2切削力的均方根随进给量变化Fig.2.2Therootmeansquareofcuttingforcevarieswithfeedrate刀具振动测量装置是由美国PCB公司生产的型号为DYTRAN的三向加速度传感器，采集卡的型号为NI9234，其采样频率为10240Hz。利用Origin软件对采集的随进给量变化的振动加速度信号进行去空转、平滑处理后，进行快速傅里叶变换，得到随进给量变化的振动加速度频谱图，切削振动加速度在频率为4kHz~5kHz范围内振动最为明显。三个坐标分别表示频率、进给量和振动加速度值，如图2.3所示。随着进给量的增大，振动加速度的均方根也随之增大，如图2.4所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]A review of chatter vibration research in milling[J]. Caixu YUE,Haining GAO,Xianli LIU,Steven Y.LIANG,Lihui WANG. Chinese Journal of Aeronautics. 2019(02)
[2]Active Damping of Milling Vibration Using Operational Amplifier Circuit[J]. Bashir Bala Muhammad,Min Wan,Yang Liu,Heng Yuan. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2018(05)
[3]硬质合金刀具铣削镍基单晶高温合金DD5磨损试验[J]. 巩亚东,梁彩霞,李强,刘洺君. 东北大学学报(自然科学版). 2018(09)
[4]工业纯钛切削过程表面三维形貌研究[J]. 王晨羽,徐碧聪,颜世晶,李金泉. 沈阳理工大学学报. 2018(04)
[5]硬质合金微坑车刀切削304不锈钢时的表面粗糙度研究[J]. 袁森,何林,占刚,蒋宏婉,邹中妃. 机械工程学报. 2018(15)
[6]高氮马氏体不锈轴承钢的组织与性能[J]. 李昭昆,罗志强,李建新,杨卯生,李南,郑善举,郝宏伟. 金属热处理. 2018(05)
[7]基于动态切削过程仿真的外圆车削稳定性判定[J]. 仇健. 机械工程学报. 2019(03)
[8]HY型抽油杆疲劳断裂原因浅析[J]. 张刚刚,牛靖,宏岩,陈汉. 热加工工艺. 2018(06)
[9]增材制造Ti-6Al-4V合金组织及疲劳性能研究进展[J]. 任永明,林鑫,黄卫东. 稀有金属材料与工程. 2017(10)
[10]690合金腐蚀疲劳裂纹扩展研究[J]. 陈凯,杜东海,陆辉,张乐福. 稀有金属材料与工程. 2017(08)
博士论文
[1]富氧气氛下钛合金加工表面氧化膜形成及其生物相容性研究[D]. 张蕊.山东大学 2016
[2]表面改性与完整性对钛合金疲劳行为的影响[D]. 杜东兴.西北工业大学 2014
[3]高强高硬钢硬态切削的切削性能实验研究[D]. 杨昊.北京理工大学 2014
[4]钛合金Ti-6A1-4V的疲劳行为及疲劳设计曲线研究[D]. 李煜佳.华东理工大学 2014
硕士论文
[1]干切削表面残余应力实验研究与数值模拟[D]. 何志锋.南华大学 2016
[2]纯钛植入体切削氧化膜形成及耐腐蚀性研究[D]. 王干.山东大学 2014
本文编号：3390647
【文章来源】：沈阳理工大学辽宁省
【文章页数】：82 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
钛合金切削表层Fig.1.1Titaniumalloycuttingsurfacelayer
-7-为解决以上在表层特性对疲劳性能影响的研究中存在的问题，本文以钛合金Ti-6Al-4V和工业纯钛TA2为研究对象。首先通过高速切削试验加工Ti-6Al-4V疲劳试样，对切削过程中切削力、切削振动加速度试样得到的数据进行分析处理，建立单自由度工件-刀具振动系统动力学模型及刀具刀尖运动轨迹方程，并结合切削表面形貌观察试验的结果，探究随进给量变化时钛合金Ti-6Al-4V切削表面形貌的形成机理；对加工后的Ti-6Al-4V疲劳试样进行高周疲劳试验，并结合切削形貌形成特性研究的结果，建立Peterson模型分析表面形貌对疲劳寿命的影响；对疲劳断口进行分析，探究Ti-6Al-4V试样随进给量变化时疲劳裂纹的萌生与扩展规律。其次，通过基于密度泛函理论的第一性原理分析钛合金Ti-6Al-4V和工业纯钛TA2的切削氧化层的形成机理；并通过高速切削试验加工疲劳试样，通过对疲劳断口进行观察，结合切削氧化层的形成机理分析表层特性对钛合金疲劳性能的影响规律。本论文框架结构如图1.2所示。图1.2论文框架Fig.1.2Paperframework
-10-图2.1切削力测量工作系统示意图Fig.2.1Schematicdiagramofworkingsystemforcuttingforcemeasurement图2.2为切削力均方根值随进给量变化图，从图中可以看出，随进给量得增大，切削力的均方根值逐渐增大。图2.2切削力的均方根随进给量变化Fig.2.2Therootmeansquareofcuttingforcevarieswithfeedrate刀具振动测量装置是由美国PCB公司生产的型号为DYTRAN的三向加速度传感器，采集卡的型号为NI9234，其采样频率为10240Hz。利用Origin软件对采集的随进给量变化的振动加速度信号进行去空转、平滑处理后，进行快速傅里叶变换，得到随进给量变化的振动加速度频谱图，切削振动加速度在频率为4kHz~5kHz范围内振动最为明显。三个坐标分别表示频率、进给量和振动加速度值，如图2.3所示。随着进给量的增大，振动加速度的均方根也随之增大，如图2.4所示。
【参考文献】：
期刊论文
[1]A review of chatter vibration research in milling[J]. Caixu YUE,Haining GAO,Xianli LIU,Steven Y.LIANG,Lihui WANG. Chinese Journal of Aeronautics. 2019(02)
[2]Active Damping of Milling Vibration Using Operational Amplifier Circuit[J]. Bashir Bala Muhammad,Min Wan,Yang Liu,Heng Yuan. Chinese Journal of Mechanical Engineering. 2018(05)
[3]硬质合金刀具铣削镍基单晶高温合金DD5磨损试验[J]. 巩亚东,梁彩霞,李强,刘洺君. 东北大学学报(自然科学版). 2018(09)
[4]工业纯钛切削过程表面三维形貌研究[J]. 王晨羽,徐碧聪,颜世晶,李金泉. 沈阳理工大学学报. 2018(04)
[5]硬质合金微坑车刀切削304不锈钢时的表面粗糙度研究[J]. 袁森,何林,占刚,蒋宏婉,邹中妃. 机械工程学报. 2018(15)
[6]高氮马氏体不锈轴承钢的组织与性能[J]. 李昭昆,罗志强,李建新,杨卯生,李南,郑善举,郝宏伟. 金属热处理. 2018(05)
[7]基于动态切削过程仿真的外圆车削稳定性判定[J]. 仇健. 机械工程学报. 2019(03)
[8]HY型抽油杆疲劳断裂原因浅析[J]. 张刚刚,牛靖,宏岩,陈汉. 热加工工艺. 2018(06)
[9]增材制造Ti-6Al-4V合金组织及疲劳性能研究进展[J]. 任永明,林鑫,黄卫东. 稀有金属材料与工程. 2017(10)
[10]690合金腐蚀疲劳裂纹扩展研究[J]. 陈凯,杜东海,陆辉,张乐福. 稀有金属材料与工程. 2017(08)
博士论文
[1]富氧气氛下钛合金加工表面氧化膜形成及其生物相容性研究[D]. 张蕊.山东大学 2016
[2]表面改性与完整性对钛合金疲劳行为的影响[D]. 杜东兴.西北工业大学 2014
[3]高强高硬钢硬态切削的切削性能实验研究[D]. 杨昊.北京理工大学 2014
[4]钛合金Ti-6A1-4V的疲劳行为及疲劳设计曲线研究[D]. 李煜佳.华东理工大学 2014
硕士论文
[1]干切削表面残余应力实验研究与数值模拟[D]. 何志锋.南华大学 2016
[2]纯钛植入体切削氧化膜形成及耐腐蚀性研究[D]. 王干.山东大学 2014
本文编号：3390647
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