钛合金高速铣削加工机理及铣削参数优化研究.pdf

中文摘要中文摘要钛合金在航空航天领域有着广泛的应用,被誉为是一种使人类走向太空时代的战略性金属材料。然而,由于具有导热性系数低、高温化学活性高和弹性模量小特点,钛合金又是一种典型的难加工材料。在切削过程中, 容易产生较高的切削温度,使刀具磨损加快,表面质量难以控制,实际切削速度难以提高。同时,由于航空钛合金零部件的结构设计特点,大量的材料需要从整块坯料中去除,使得切削成本较高。因此,低效的加工能力和加工质量与不断增长的加工需求已构成矛盾,成为制约航空航天制造业发展的瓶颈之一。针对航空钛合金Ti6A14V的铣削加工,本课题从铣削力、铣削温度、表面完整性以及刀具寿命方面对高速铣削机理进行了系统研究,为建立钛合金高效加工工艺规范提供理论依据。以此为基础,以加工效率最大和刀具消耗最小为优化目标,对铣削参数进行优化,为实际加工提供工艺支持。切削力是研究切削过程的重要物理量之一,其大小和变化对工件表面完整性、刀具磨损和寿命等具有影响。准确地预测切削力对于优选切削用量、刀具结构参数以及提高加工精度具有积极的指导意义。针对圆柱螺旋铣刀,将切削刃沿轴向切削深度离散为一系列微元,而微元铣削力大小可表示为剪切力和犁耕力的和,然后将微元沿刀具轴向切削深度进行积分, 从而建立了考虑刃口犁耕效应的三维铣削力学模型。与以往求解铣削力系数方法不同,本课题提出了应用瞬时铣削力识别铣削力系数的方法,具有更快速、更经济特点。考虑铣削力系数随被加工材料力学性能变化特点, 通过试验和回归分析方法,建立了适合高速铣削范围的铣削力系数经验预测模型。经验证,所建立的铣削力学模型具有很高的预测精度。从控制铣削力角度,铣削参数应选择适中的铣削速度、较大的铣削径向深度、较小的进给速度和轴向铣削深度。对切削热控制的好坏一定程度上决定了钛合金零部件的生产效率。因此,有必要研究切削过程中热量的产生和传递的规律,了解刀具和工件中温度的分布状态,从而优化工艺措施,提高刀具寿命,进一步提高加工效山东大学博十学何论文率和加工质量。利用红外辐射测温方法,研究了铣削参数对铣削温度的影响。通过试验发现,随着铣削速度和每齿进给量增加,铣削温度呈增加趋势。以温度测量试验为参照,利用有限元方法,建立三维铣削仿真模型, 对工件变形区和刀具的温度场进行了分析。工件上最高温度始终产生在切屑与切削刃接触的根部区域,该区域具有高温、大应变和高应变率特点。刀具的最高温度产生于前刀面主切削刃附近,由于具有良好的导热性,最高温度低于切屑的最高温度。当铣削速度增大,刀刃与切屑根部接触区域温度上升,并且高温热源区域沿轴向铣削深度扩大,同时静水压力也增大。航空钛合金零部件因其特殊的工作环境,可靠性要求较高,相应地对表面完整性也有严格的要求。深入研究铣削加工对钛合金表面完整性的影响,实现表面质量预报和控制,可为钛合金零部件设计以及加工工艺选择提供参考依据。根据铣削试验发现,使用涂层刀片和MQL能够获得较好的表面粗糙度。在采用较高速度铣削钛合金时,配合低进给、较低的轴向铣削深度以及适中的径向铣削深度,可以获得较好的表面粗糙度。综合工件与刀具相对运动的几何特征和工件材料弹塑性变形特点,建立了钛合金铣削加工表面粗糙度的理论模型,揭示了表面粗糙度的形成机理。通过对已加工表层微观组织进行SEM观察,发现低速和小进给情况下表层晶粒扭曲变形的程度和深度比较显著,而高速铣削减轻了表层晶粒扭曲的程度,并且减小了变质层的厚度,有利于提高零件表面完整性。通过显微硬度测量,研究了铣削速度和每齿进给对加工硬化的影响。加工硬化程度随铣削速度增加而降低,然而当铣削速度超过一定界限,加工硬化程度将会增加。随着每齿进给增加,加工硬化程度降低。无论高速铣削与低速铣削, 硬度沿距离表面深度变化的趋势基本一致,。高速铣削条件下软化层具有较低的硬度值,软化层深度略小于低速情况。根据位错理论,建立了加工硬化动力学模型,揭示了加工硬化与微观组织、流动应力的联系。利用铣削试验和X射线衍射应力测量方法,研究了铣削参数对已加工表面残余应力的影响。每齿进给对残余应力大小影响最为显著,而径向铣削深度影响最小。通过铣削力和铣削温度分析,认为残余应力与机械应力、热应力产生的塑性变形有关。切削力使工件表面层产生不均匀塑性变形,具体来自于两个方面,一方面中文摘要是刀具接触点前方区域的“塑性凸出"效应,另一方面是刀具后刀面对工件表面的“挤光效应"。前者使已加工表面产生残余拉应力,后者则产生残余压应力。切削热使工件表层材料产生塑性凸出,从而产生残余拉应力。从X射线应力测量结果看,已加工表面残余应力表现为压应力性质。由于钛合金弹性模量小,已加工表面容易出现较大回弹,从而与刀刃后刀面产生强烈的挤光作用。因而可以认为,挤光作用是表面压应力的形成原因。钛