基于长疲劳寿命的钛合金Ti6Al4V铣削加工表面完整性研究

发布时间：2017-12-22 16:14

本文关键词：基于长疲劳寿命的钛合金Ti6Al4V铣削加工表面完整性研究　出处：《山东大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：航空航天和国防工业等领域中,钛合金的使用不仅能够满足零件轻量化的设计需要,还可以保证此类零件具有高可靠性和长寿命的服役性能。然而,钛合金所具有的弹性模量小、导热率低等的材料属性和α+β相混合的组织特征使得其成为典型的难加工材料。钛合金切削加工表面完整性的优化与控制是保障零件功能性能和使用寿命的关键性技术。以往的研究多以基于切削实验的加工表面完整性数据分析为主,针对切削加工表面完整性的产生与控制机理研究较少,对于切削加工表面完整性的物理力学本质仍缺乏深入的理解和认识。本文以钛合金Ti6Al4V侧铣加工为研究对象,采用工艺仿真和试验、加工表面完整性表征和预报与零件疲劳寿命分析相结合的系统研究方法,阐明钛合金铣削加工表面完整性的形成机理,揭示加工表面完整性与疲劳寿命的映射关系从而控制零件的使役性能。首先,对钛合金Ti6A14V侧铣加工表面形貌特征进行探究和分析,阐明切削工艺参数对加工表面缺陷和表面形貌参数的影响规律和控制机理,揭示侧铣加工表面形貌形成的几何、物理本质。针对切削加工表面缺陷种类多、分布随机、定量统计困难的问题,提出加工表面轮廓自相关分析方法实现切削加工表面缺陷的定量评价;通过直观分析、线性回归分析和敏感性分析相结合的方法获得加工表面形貌特征及其与切削工艺参数之间的响应规律;建立涵盖刀具参数(铣刀半径、螺旋角等)、切削工艺参数(切削速度和进给量)和误差因素(刀具安装误差和偏心等)等影响因素的侧铣加工表面形貌预报模型,实现侧铣加工表面形貌空间特征的参数化预报。研究结果表明:切削试验工艺参数范围内加工表面缺陷随切削速度的提高呈现先减少后增多的趋势,增大每齿进给量将导致表面缺陷的增多,优化切削深度对控制加工表面缺陷的作用并不显著;切削工艺参数中对加工表面形貌参数影响程度大小依次为每齿进给量、切削速度和径向切削深度;较大的铣刀半径可获得相对较小的加工表面轮廓高度和周期值;不等螺旋角的数值相差越大,加工表面粗糙度越大;随着铣刀偏心量的增大切削方向轮廓相邻两波峰间距增大,波峰-波谷高度差变大;偏心角会造成加工表面轮廓的平移,而对周期性特征和高度特征没有影响。其次,建立切削加工表面残余应力的理论解析模型、有限元仿真模型和混合预测模型,阐明切削力、热载荷对残余应力数值和分布范围的控制机理,揭示切削工艺参数、刀具几何参数对切削加工表面残余应力轮廓特征的影响规律。利用钛合金Ti6A14V侧铣加工实验分别对解析模型、有限元仿真模型和混合模型的有效性进行验证。研究结果表明:所建立模型在判断和分析切削残余应力性质和分布趋势特征时是合理有效的。刀具径向前角由-5°到5°变化时,切削方向压应力峰值变大,反向过渡深度减小,而残余应力影响深度无明显变化;切削宽度方向的压应力峰值变化不明显,反向过渡深度和残余应力影响深度均呈现减小趋势。刀具刃口钝圆半径由0.01 mm到0.03 mm变化时,切削方向和切削宽度方向的表面残余应力值逐渐增大,压应力峰值和反向过渡深度逐渐减小,而两个方向的残余应力影响深度均无明显变化。当切削速度或者每齿进给量较小时,切削加工表面易形成残余压应力,而随着切削速度和每齿进给量的增加,加工表面残余应力将由压应力向拉应力转变,加工表面之下的压应力峰值将减小,而反向过渡深度和残余应力影响深度增加。再次,针对钛合金Ti6A14V侧铣加工表面宏观塑性变形,建立切削加工表面塑性变形深度的预报模型,探索切削加工表面材料塑性应变的形成机理,阐明了切削加工表面塑性变形的物理力学本质。提出一种基于图像识别的双相钛合金金相体积分数定量描述方法,实现切削加工表面以下金相体积分数梯度分布的定量评价。利用金相识别技术,显微硬度测试等技术手段对加工表面微观组织特性进行探测,揭示切削工艺参数对加工表面晶粒细化、金相变化和显微硬度的影响规律。研究结果表明:切削加工表面的塑性应变量主要与工件材料的屈服强度、弹性模量、线性热膨胀系数和温度变化量有关,而塑性变形层的深度主要取决于切削力数值的大小;切削加工表面晶粒细化率和β相体积分数变化率与切削速度和径向切削深度成反比例关系;加工表面硬化率随切削速度和径向切削深度的增大而增大,每齿进给量对切削加工表面晶粒细化,β相体积分数的变化和加工表面硬化率的作用并不显著。最后,对钛合金Ti6A14V侧铣加工试样高、低周疲劳行为进行研究,揭示钛合金Ti6A14V试样断裂的宏观性质及其微观机理,分别分析低周疲劳(LCF)和高周疲劳(HCF)状态下铣削表面完整性参数对钛合金材料拉伸疲劳性能的作用机理和影响规律,并计算得到面向长疲劳寿命的钛合金Ti6A14V铣削工艺参数优选区间。研究结果表明:低周疲劳条件下断口疲劳源区呈现韧性断裂性质,而高周疲劳断口疲劳源区表现脆性断裂性质;对高周疲劳寿命影响最大的表面完整性参数是加工表面显微硬度;当加工表面残余应力满足松弛条件时,对低周疲劳寿命影响最大的是疲劳应力集中系数,当切削加工表面残余压应力不发生松弛时,残余应力对疲劳寿命的影响程度仅次于表面显微硬度,而高于疲劳应力集中系数的影响;面向钛合金材料长疲劳寿命的铣削工艺参数优选区间为切削速度20～50 m/min,每齿进给量0.02～0.03 mm/z和径向切削深度0.5～1.0 mm。
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG54

【参考文献】