钛合金Ti-6Al-4V螺旋铣孔过程表面完整性研究

论文摘要

由于其优异的材料性能，钛合金在航天航空领域得到广泛应用。但是，因为其化学活性高、热导率低、弹性模量低等材料特性，钛合金航空结构件的制孔质量难以保证，成为航空制造领域的一大挑战。螺旋铣孔加工工艺作为一种新型的制孔工艺正在成为针对钛合金等难加工材料的理想制孔技术。表面完整性是描述、评价加工过程在工件表面层内可能产生的各种变化的重要技术指标。本文以Ti-6Al-4V钛合金为研究对象，开展钛合金螺旋铣孔加工表面完整性研究，主要研究内容如下：基于螺旋铣孔切削机理，分别设计了钛合金Ti-6Al-4V螺旋铣孔加工单因素与正交试验，建立钛合金螺旋铣孔加工切削力测量平台。分析结果表明，螺旋铣孔工艺能够有效降低钛合金切削过程的切削力（最大均值约为钻孔时的25%），切削过程中的较小切削载荷为获得理想孔壁表面完整性提供可能。针对Ti-6Al-4V钛合金螺旋铣孔加工开展表面完整性研究，分析螺旋铣孔加工参数对粗糙度、显微硬度分布、残余应力分布及显微组织结构变化的影响规律。测量结果表明，钛合金孔壁粗糙度较小（最大Ra0.328μm）；孔壁出现的适度加工硬化现象有利于提高孔壁耐磨性（孔壁硬化程度最大138%）；孔壁表层残余应力分布均为压应力，孔的疲劳强度得到提高；由于机械和热载荷较小没有出现“白层”现象。通过以上分析，验证了螺旋铣孔加工技术在提高钛合金制孔表面完整性的可能性。最后，基于改进型Z-map模型建立了孔壁三维表面形貌仿真模型用于预测螺旋铣孔加工后孔壁的表面轮廓外形。该表面形貌仿真模型考虑了刀具与工件之间的相对运动，表面粗糙度值将从三维表面形貌仿真模型推导出来，并用实验验证该三维表面形貌仿真模型。仿真结果与试验结果吻合程度较高。本文对Ti-6Al-4V钛合金螺旋铣孔加工孔壁表面完整性开展了系统研究，取得了阶段性研究成果，为螺旋铣孔工艺的进一步研究提供理论支持。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景与意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 课题意义
• 1.2 螺旋铣孔工艺加工机理及钛合金加工表面完整性研究现状
• 1.2.1 螺旋铣孔工艺研究现状
• 1.2.2 钛合金加工表面完整性研究现状
• 1.3 论文的主要内容与结构
• 第二章 钛合金材料特性介绍及其螺旋铣孔加工工艺实验方案
• 2.1 钛及钛合金简介
• 2.1.1 钛合金的分类
• 2.1.2 钛合金 Ti-6Al-4V 的材料特性
• 2.1.3 钛合金 Ti-6Al-4V 的加工特性
• 2.2 螺旋铣孔工艺运动学分析
• 2.3 钛合金 Ti-6Al-4V 螺旋铣孔切削加工试验设计
• 2.3.1 试验设备
• 2.3.2 试验刀具
• 2.3.3 试验材料
• 2.3.4 试验方案设计
• 2.3.5 钛合金螺旋铣孔过程测力平台结果
• 2.4 本章小结
• 第三章 钛合金 Ti-6Al-4V 螺旋铣孔加工表面完整性研究
• 3.1 螺旋铣孔表面完整性
• 3.1.1 表面完整性的定义
• 3.1.2 表面完整性的评价
• 3.2 钛合金螺旋铣孔加工参数对切削力的影响
• 3.2.1 单因素试验结果及其分析
• 3.2.2 多因素正交试验结果及分析
• 3.3 切削参数对钛合金螺旋铣孔表面完整性的影响
• 3.3.1 切削参数对孔表面粗糙度的影响
• 3.3.2 切削参数对孔显微硬度的影响研究
• 3.3.3 切削参数对孔残余应力的影响研究
• 3.3.4 切削参数对孔表面层显微组织变化的影响研究
• 3.4 本章小结
• 第四章 钛合金螺旋铣孔加工的表面形貌仿真建模
• 4.1 表面形貌仿真建模的研究现状
• 4.2 螺旋铣削表面形貌建模
• 4.2.1 改进型 Z-map 模型表征
• 4.2.2 表面形貌建模
• 4.2.3 模拟建模过程
• 4.2.4 仿真误差分析
• 4.3 仿真实现与实验验证
• 4.3.1 仿真误差分析
• 4.3.2 主轴转速 n 的影响
• 4.3.3 切向每齿进给 st 的影响
• 4.3.4 螺距 a 的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢