本文關(guān)鍵詞：基于長疲勞壽命的鈦合金Ti6Al4V銑削加工表面完整性研究　出處：《山東大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：航空航天和國防工業(yè)等領(lǐng)域中,鈦合金的使用不僅能夠滿足零件輕量化的設(shè)計(jì)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模量小、導(dǎo)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(guān)鍵性技術(shù)。以往的研究多以基于切削實(shí)驗(yàn)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(jī)理研究較少,對于切削加工表面完整性的物理力學(xué)本質(zhì)仍缺乏深入的理解和認(rèn)識。本文以鈦合金Ti6Al4V側(cè)銑加工為研究對象,采用工藝仿真和試驗(yàn)、加工表面完整性表征和預(yù)報與零件疲勞壽命分析相結(jié)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(jī)理,揭示加工表面完整性與疲勞壽命的映射關(guān)系從而控制零件的使役性能。首先,對鈦合金Ti6A14V側(cè)銑加工表面形貌特征進(jìn)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(jī)理,揭示側(cè)銑加工表面形貌形成的幾何、物理本質(zhì)。針對切削加工表面缺陷種類多、分布隨機(jī)、定量統(tǒng)計(jì)困難的問題,提出加工表面輪廓自相關(guān)分析方法實(shí)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(jié)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(yīng)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(jìn)給量)和誤差因素(刀具安裝誤差和偏心等)等影響因素的側(cè)銑加工表面形貌預(yù)報模型,實(shí)現(xiàn)側(cè)銑加工表面形貌空間特征的參數(shù)化預(yù)報。研究結(jié)果表明:切削試驗(yàn)工藝參數(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(jìn)給量將導(dǎo)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(jìn)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(yīng)力的理論解析模型、有限元仿真模型和混合預(yù)測模型,闡明切削力、熱載荷對殘余應(yīng)力數(shù)值和分布范圍的控制機(jī)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(yīng)力輪廓特征的影響規(guī)律。利用鈦合金Ti6A14V側(cè)銑加工實(shí)驗(yàn)分別對解析模型、有限元仿真模型和混合模型的有效性進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果表明:所建立模型在判斷和分析切削殘余應(yīng)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°到5°變化時,切削方向壓應(yīng)力峰值變大,反向過渡深度減小,而殘余應(yīng)力影響深度無明顯變化;切削寬度方向的壓應(yīng)力峰值變化不明顯,反向過渡深度和殘余應(yīng)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(yīng)力值逐漸增大,壓應(yīng)力峰值和反向過渡深度逐漸減小,而兩個方向的殘余應(yīng)力影響深度均無明顯變化。當(dāng)切削速度或者每齒進(jìn)給量較小時,切削加工表面易形成殘余壓應(yīng)力,而隨著切削速度和每齒進(jìn)給量的增加,加工表面殘余應(yīng)力將由壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變,加工表面之下的壓應(yīng)力峰值將減小,而反向過渡深度和殘余應(yīng)力影響深度增加。再次,針對鈦合金Ti6A14V側(cè)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(yù)報模型,探索切削加工表面材料塑性應(yīng)變的形成機(jī)理,闡明了切削加工表面塑性變形的物理力學(xué)本質(zhì)。提出一種基于圖像識別的雙相鈦合金金相體積分?jǐn)?shù)定量描述方法,實(shí)現(xiàn)切削加工表面以下金相體積分?jǐn)?shù)梯度分布的定量評價。利用金相識別技術(shù),顯微硬度測試等技術(shù)手段對加工表面微觀組織特性進(jìn)行探測,揭示切削工藝參數(shù)對加工表面晶粒細(xì)化、金相變化和顯微硬度的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明:切削加工表面的塑性應(yīng)變量主要與工件材料的屈服強(qiáng)度、彈性模量、線性熱膨脹系數(shù)和溫度變化量有關(guān),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(xì)化率和β相體積分?jǐn)?shù)變化率與切削速度和徑向切削深度成反比例關(guān)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(jìn)給量對切削加工表面晶粒細(xì)化,β相體積分?jǐn)?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Ti6A14V側(cè)銑加工試樣高、低周疲勞行為進(jìn)行研究,揭示鈦合金Ti6A14V試樣斷裂的宏觀性質(zhì)及其微觀機(jī)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(jī)理和影響規(guī)律,并計(jì)算得到面向長疲勞壽命的鈦合金Ti6A14V銑削工藝參數(shù)優(yōu)選區(qū)間。研究結(jié)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)表現(xiàn)脆性斷裂性質(zhì);對高周疲勞壽命影響最大的表面完整性參數(shù)是加工表面顯微硬度;當(dāng)加工表面殘余應(yīng)力滿足松弛條件時,對低周疲勞壽命影響最大的是疲勞應(yīng)力集中系數(shù),當(dāng)切削加工表面殘余壓應(yīng)力不發(fā)生松弛時,殘余應(yīng)力對疲勞壽命的影響程度僅次于表面顯微硬度,而高于疲勞應(yīng)力集中系數(shù)的影響;面向鈦合金材料長疲勞壽命的銑削工藝參數(shù)優(yōu)選區(qū)間為切削速度20～50 m/min,每齒進(jìn)給量0.02～0.03 mm/z和徑向切削深度0.5～1.0 mm。
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TG54

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：1320112