基于長疲勞壽命的鈦合金Ti6Al4V銑削加工表面完整性研究.pdf

1、航空航天和國防工業(yè)等領域中，鈦合金的使用不僅能夠滿足零件輕量化的設計需要，還可以保證此類零件具有高可靠性和長壽命的服役性能。然而，鈦合金所具有的彈性量小、導熱率低等的材料屬性和α+β相混合的組織特征使得其成為典型的難加工材料。鈦合金切削加工表面完整性的優(yōu)化與控制是保障零件功能性能和使用壽命的關鍵性技術。以往的研究多以基于切削實驗的加工表面完整性數(shù)據(jù)分析為主，針對切削加工表面完整性的產(chǎn)生與控制機理研究較少，對于切削加工表面完整性的物理力學

2、本質(zhì)仍缺乏深入的理解和認識。本文以鈦合金Ti6A14V側銑加工為研究對象，采用工藝仿真和試驗、加工表面完整性表征和預報與零件疲勞壽命分析相結合的系統(tǒng)研究方法，闡明鈦合金銑削加工表面完整性的形成機理，揭示加工表面完整性與疲勞壽命的映射關系從而控制零件的使役性能。
　　首先，對鈦合金Ti6Al4V側銑加工表面形貌特征進行探究和分析，闡明切削工藝參數(shù)對加工表面缺陷和表面形貌參數(shù)的影響規(guī)律和控制機理，揭示側銑加工表面形貌形成的幾何、物理本

3、質(zhì)。針對切削加工表面缺陷種類多、分布隨機、定量統(tǒng)計困難的問題，提出加工表面輪廓自相關分析方法實現(xiàn)切削加工表面缺陷的定量評價;通過直觀分析、線性回歸分析和敏感性分析相結合的方法獲得加工表面形貌特征及其與切削工藝參數(shù)之間的響應規(guī)律;建立涵蓋刀具參數(shù)（銑刀半徑、螺旋角等）、切削工藝參數(shù)（切削速度和進給量）和誤差因素（刀具安裝誤差和偏心等）等影響因素的側銑加工表面形貌預報模型，實現(xiàn)側銑加工表面形貌空間特征的參數(shù)化預報。研究結果表明:切削試驗工藝

4、參數(shù)范圍內(nèi)加工表面缺陷隨切削速度的提高呈現(xiàn)先減少后增多的趨勢，增大每齒進給量將導致表面缺陷的增多，優(yōu)化切削深度對控制加工表面缺陷的作用并不顯著;切削工藝參數(shù)中對加工表面形貌參數(shù)影響程度大小依次為每齒進給量、切削速度和徑向切削深度;較大的銑刀半徑可獲得相對較小的加工表面輪廓高度和周期值;不等螺旋角的數(shù)值相差越大，加工表面粗糙度越大;隨著銑刀偏心量的增大切削方向輪廓相鄰兩波峰間距增大，波峰-波谷高度差變大;偏心角會造成加工表面輪廓的平移，而

5、對周期性特征和高度特征沒有影響。
　　其次，建立切削加工表面殘余應力的理論解析模型、有限元仿真模型和混合預測模型，闡明切削力、熱載荷對殘余應力數(shù)值和分布范圍的控制機理，揭示切削工藝參數(shù)、刀具幾何參數(shù)對切削加工表面殘余應力輪廓特征的影響規(guī)律。利用鈦合金Ti6Al4V側銑加工實驗分別對解析模型、有限元仿真模型和混合模型的有效性進行驗證。研究結果表明:所建立模型在判斷和分析切削殘余應力性質(zhì)和分布趨勢特征時是合理有效的。刀具徑向前角由-5

6、°到5°變化時，切削方向壓應力峰值變大，反向過渡深度減小，而殘余應力影響深度無明顯變化;切削寬度方向的壓應力峰值變化不明顯，反向過渡深度和殘余應力影響深度均呈現(xiàn)減小趨勢。刀具刃口鈍圓半徑由0.01 mm到0.03 mm變化時，切削方向和切削寬度方向的表面殘余應力值逐漸增大，壓應力峰值和反向過渡深度逐漸減小，而兩個方向的殘余應力影響深度均無明顯變化。當切削速度或者每齒進給量較小時，切削加工表面易形成殘余壓應力，而隨著切削速度和每齒進給量的

7、增加，加工表面殘余應力將由壓應力向拉應力轉變，加工表面之下的壓應力峰值將減小，而反向過渡深度和殘余應力影響深度增加。
　　再次，針對鈦合金Ti6Al4V側銑加工表面宏觀塑性變形，建立切削加工表面塑性變形深度的預報模型，探索切削加工表面材料塑性應變的形成機理，闡明了切削加工表面塑性變形的物理力學本質(zhì)。提出一種基于圖像識別的雙相鈦合金金相體積分數(shù)定量描述方法，實現(xiàn)切削加工表面以下金相體積分數(shù)梯度分布的定量評價。利用金相識別技術，顯微硬

8、度測試等技術手段對加工表面微觀組織特性進行探測，揭示切削工藝參數(shù)對加工表面晶粒細化、金相變化和顯微硬度的影響規(guī)律。研究結果表明:切削加工表面的塑性應變量主要與工件材料的屈服強度、彈性模量、線性熱膨脹系數(shù)和溫度變化量有關，而塑性變形層的深度主要取決于切削力數(shù)值的大小;切削加工表面晶粒細化率和β相體積分數(shù)變化率與切削速度和徑向切削深度成反比例關系;加工表面硬化率隨切削速度和徑向切削深度的增大而增大，每齒進給量對切削加工表面晶粒細化，β相體積

9、分數(shù)的變化和加工表面硬化率的作用并不顯著。
　　最后，對鈦合金Ti6Al4V側銑加工試樣高、低周疲勞行為進行研究，揭示鈦合金Ti6Al4V試樣斷裂的宏觀性質(zhì)及其微觀機理，分別分析低周疲勞(LCF)和高周疲勞(HCF)狀態(tài)下銑削表面完整性參數(shù)對鈦合金材料拉伸疲勞性能的作用機理和影響規(guī)律，并計算得到面向長疲勞壽命的鈦合金Ti6Al4V銑削工藝參數(shù)優(yōu)選區(qū)間。研究結果表明:低周疲勞條件下斷口疲勞源區(qū)呈現(xiàn)韌性斷裂性質(zhì)，而高周疲勞斷口疲勞源區(qū)