拉伸装夹高速铣削钛合金的疲劳特性研究

论文摘要

随着高速加工技术的发展,钛合金的高速铣削技术已经在实际生产中获得应用。但是人们对钛合金高速铣削件的疲劳特性缺乏深入的了解,影响了高速铣削技术的优势在航空工业领域中得到进一步发挥。本文基于拉伸装夹高速铣削的抗疲劳加工新思路,重点研究拉伸装夹条件下TC4钛合金铣削工件的表面残余应力及其疲劳特性。采用自行设计的单向拉伸夹具,在HSM-600U型五轴高速加工中心上开展了TC4钛合金拉伸装夹铣削（Stretching-fixation Milling, SFM）的试验研究,铣削速度从38 m/min到566 m/min,拉伸装夹力从0到6330 N。采用Mahr Sp3表面粗糙度仪对铣削表面的微观几何形貌进行了测量分析,使用MSF-3M型X射线应力分析仪分别测量了铣削表面内与拉伸方向呈0°、30°、90°和120°角的四个方向上的残余应力,并结合电解抛光方法进一步测量了切削方向上铣削表面以下50μm深度内的残余应力分布。基于平面应变的热弹塑性理论分析了SFM过程中应力应变的变化过程,推导了拉伸装夹引起的初始应变和残余应力变化量之间的关系,并提出应变叠加模型,认为拉伸装夹产生的初始应变影响了铣削工件表层的塑性应变,从而使残余应力发生变化。使用有限元软件ANSYS对SFM过程进行仿真,把整个拉伸装夹铣削过程分为装夹施加、金属切削和装夹卸除三部分,分别采用不同的积分方式进行求解。最后,对SFM件进行了高频低周疲劳实验,建立疲劳裂纹监测系统对疲劳裂纹扩展的整个过程进行了在位停机观测,并使用JSM-7001F型场发射扫描电镜观察了疲劳断口。研究结果表明:在每转进给量保持不变的前提下表面粗糙度主要由高速旋转时刀具的动平衡偏心量决定,铣削速度和铣削装夹方式基本不影响表面粗糙度;拉伸装夹铣削工件表层残余压应力的增大与否取决于是否形成初始拉应变,而后者和方向相关;有限元仿真对拉伸装夹铣削工件表层残余应力分布的预测和实测结果基本一致;拉伸装夹铣削可以形成更有利的残余压应力层,对滑移带的形成和疲劳裂纹的萌生产生有效的抑制;与常规铣削试样相比,拉伸装夹铣削试样的疲劳寿命可提高8%16%,疲劳源区位于铣削表面以下更深处。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 钛合金的疲劳性能
• 1.3 抗疲劳制造技术
• 1.3.1 传统抗疲劳制造技术
• 1.3.2 抗疲劳切削加工技术
• 1.4 研究目的和研究内容
• 第二章 拉伸装夹铣削试验
• 2.1 引言
• 2.2 TC4 钛合金的物理性能
• 2.2.1 应力应变曲线
• 2.2.2 表面硬度
• 2.3 铣削试样的制作与分析
• 2.3.1 铣削试样的设计制作
• 2.3.2 铣削试样的受力分析
• 2.4 拉伸夹具的制作与校核
• 2.4.1 拉伸夹具的设计制作
• 2.4.2 拉伸夹具的精度强度校核
• 2.5 拉伸装夹力的测定
• 2.6 拉伸装夹铣削试验
• 2.6.1 铣削试验设备
• 2.6.2 铣削试验方案
• 2.7 铣削表面的几何精度
• 2.7.1 表面粗糙度
• 2.7.2 表面微观轮廓
• 2.8 本章小结
• 第三章 拉伸装夹铣削的残余应力
• 3.1 引言
• 3.2 X 射线应力测量理论
• 3.2.1 衍射几何关系
• 3.2.2 应力测量原理
• 3.2.3 衍射峰定峰方法
• 3.3 应力测量仪器及方法
• 3.4 内部应力测量原理
• 3.5 电解抛光
• 3.5.1 电解抛光原理
• 3.5.2 电解抛光试样
• 3.5.3 电解抛光装置
• 3.5.4 电解抛光速率
• 3.6 残余应力测量结果
• 3.6.1 铣削速度对表面残余应力的影响
• 3.6.2 拉伸装夹力对表面残余应力的影响
• 3.6.3 残余应力沿层深的分布
• 3.7 残余应力的变化机理
• 3.7.1 应变叠加模型
• 3.7.2 试验验证
• 3.8 本章小结
• 第四章 拉伸装夹高速铣削的有限元仿真
• 4.1 引言
• 4.2 切削仿真现状
• 4.3 铣削的等效模型
• 4.3.1 等效模型的建立
• 4.3.2 等效模型的参数
• 4.3.2.1 切削厚度
• 4.3.2.2 刃口圆弧半径
• 4.3.2.3 最小切削深度
• 4.4 拉伸装夹铣削模型
• 4.4.1 网格划分
• 4.4.2 切屑分离准则
• 4.4.3 材料模型
• 4.4.4 摩擦准则
• 4.4.5 边界约束条件
• 4.4.6 刀具运动轨迹
• 4.5 有限元仿真结果
• 4.6 残余应力预测
• 4.6.1 摩擦系数对残余应力的影响
• 4.6.2 刃口圆弧半径对残余应力的影响
• 4.6.3 拉伸装夹力对残余应力的影响
• 4.7 本章小结
• 第五章 拉伸装夹高速铣削的疲劳性能
• 5.1 引言
• 5.2 疲劳试验设备
• 5.3 疲劳试样切口
• 5.4 疲劳试验参数
• 5.5 疲劳裂纹观测
• 5.5.1 裂纹观测装置
• 5.5.2 裂纹复型金相
• 5.6 疲劳实验结果
• 5.6.1 疲劳寿命
• 5.6.2 疲劳裂纹扩展曲线
• 5.7 疲劳断口
• 5.7.1 断口形貌
• 5.7.2 疲劳源
• 5.8 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文