TC21钛合金高性能铣削工艺基础研究

论文摘要

钛合金在加工中切削效率低、刀具磨损严重、尺寸精度和表面质量差。因此，在保证刀具耐用度和加工质量的前提下，发展高材料去除率的机械加工技术迫在眉睫。高性能切削工艺可以根据加工对象的不同，以最高的加工效率获得具有良好经济效益并满足加工质量要求的零件产品，然而高性能切削工艺的发展起步较晚，缺乏充分的理论依据和数据支持。为此，本文致力于寻求提高钛合金加工效率和改善已加工表面质量的工艺方法，将以新型损伤容限型钛合金TC21作为研究对象，开展高性能铣削钛合金的工艺基础研究。主要研究工作包括：（1）通过在常规速度和高速下铣削钛合金TC21的切削试验，分析了铣削用量、刀具磨损和刀具材料等对铣削力和铣削温度的影响，讨论了刀具的磨损机理，并从表面粗糙度、加工硬化层和金相组织等方面研究了加工表面完整性，对TC21钛合金的铣削加工性进行了综合性评估。获取了较优的精加工铣削参数范围，并揭示了铣削时的刀具磨损机理。（2）分析了大进给铣削工艺的特点，通过研究铣削速度和每齿进给量对铣削力的影响进一步明确了大进给铣削工艺的特点，利用夹丝热电偶测温方法对大进给铣刀刃口切削区的温度进行了测量。采用扫描电镜和能谱仪对两种典型的大进给铣刀的刀具磨损形态进行了分析，并探讨了大进给铣削钛合金时的刀具磨损机理，为优化大进给铣刀奠定了基础。（3）通过大进给铣削TC21钛合金试验，重点研究了采用三角形大进给铣刀切削钛合金时铣削用量对切屑宏观和微观形貌的影响及其成因。借助金相试样的显微分析方法，研究了铣削速度和每齿进给量对切屑变形的影响，并从大进给铣削时的锯齿状切屑成因、锯齿化程度等方面探究了切屑的变形过程，进一步明确了大进给铣削工艺特点。（4）分别设计了具有倒棱刃口和倒圆刃口两种刃口结构硬质合金刀具，并采用高速和高进给量的方式进行铣削加工钛合金，探究了这两种刃口结构对刀具耐用度、刀具磨损和已加工表面质量的影响，重点讨论了刀具几何角度、倒棱宽度、刃口钝圆半径大小与铣削力、刀具耐用度和已加工表面质量之间的关系。另外，探讨了硬质合金晶粒大小与两种刃口结构之间的相互关系与影响。试验结果表明合理的倒棱宽度和刃口钝圆半径都能延长刀具耐用度和改善已加工表面质量，而且可以采用较高的每齿进给量。（5）根据大进给铣削的工艺特点，结合考虑航空典型零件的结构特征，从程序执行的水平进刀、垂直进刀、行间过渡和层间过渡等几个方面探讨了大进给铣削程序编制的特点，并给出了合理的优化解决方案，从而保证了大进给铣削高材料去除率能力的充分发挥。应用大进给铣削工艺加工飞机典型零件结构的试验和生产验证，发现在粗加工和精加工中材料去除率均可以提高50%以上。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景与意义
• 1.2 钛合金及其切削加工性
• 1.2.1 钛合金的特性
• 1.2.2 钛合金的切削加工性
• 1.3 钛合金高性能加工的研究现状
• 1.3.1 钛合金的高速切削
• 1.3.2 钛合金的高性能切削
• 1.4 论文拟开展的主要研究工作
• 第二章 TC21 损伤容限钛合金的铣削性能评估
• 2.1 试验条件及方案
• 2.1.1 试验条件
• 2.1.2 试验方案
• 2.2 高速铣削 TC21 钛合金的切削力分析
• 2.2.1 切削用量对铣削力的影响
• 2.2.2 刀具磨损对铣削力的影响
• 2.2.3 刀具材料对铣削力的影响
• 2.3 高速铣削 TC21 钛合金的切削温度分析
• 2.3.1 切削用量对铣削温度的影响
• 2.3.2 刀具磨损对铣削温度的影响
• 2.4 高速铣削 TC21 钛合金的刀具磨损分析
• 2.4.1 刀具磨损的宏观分析
• 2.4.2 刀具磨损的微观分析
• 2.5 高速铣削 TC21 钛合金的加工表面完整性分析
• 2.5.1 铣削用量和刀具磨损对表面粗糙度的影响
• 2.5.2 铣削用量和刀具磨损对工件表面加工硬化的影响
• 2.5.3 铣削用量和刀具磨损对工件表层金相组织的影响
• 2.6 本章小结
• 第三章 大进给铣削的机理研究
• 3.1 试验条件及方案
• 3.1.1 试验条件
• 3.1.2 试验方案
• 3.2 大进给铣削 TC21 的切削力分析
• 3.2.1 大进给铣削的切削厚度
• 3.2.2 大进给铣削力的试验研究
• 3.3 大进给铣削 TC21 的切削温度分析
• 3.3.1 大进给铣削温度的测量方法
• 3.3.2 大进给铣削温度的试验研究
• 3.4 大进给铣削 TC21 的刀具磨损分析
• 3.4.1 三角形大进给铣刀的刀具磨损分析
• 3.4.2 四边形大进给铣刀的刀具磨损分析
• 3.5 大进给铣削 TC21 的切屑形成机理分析
• 3.5.1 大进给铣削切屑形成概述
• 3.5.2 切屑形态的宏观分析
• 3.5.3 切屑形态的微观分析
• 3.5.4 切屑截面的金相组织分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 硬质合金刀具的刃口设计
• 4.1 硬质合金刀具刃口结构优化设计
• 4.2 倒棱刃口硬质合金刀具铣削钛合金的试验研究
• 4.2.1 倒棱刃口硬质合金刀具设计
• 4.2.2 刀具几何参数对倒棱刃口刀具切削加工性的影响
• 4.2.3 倒棱宽度对倒棱刃口刀具切削加工性的影响
• 4.2.4 刀具材料对倒棱刃口刀具切削加工性的影响
• 4.3 倒圆刃口硬质合金刀具铣削钛合金的试验研究
• 4.4 刀具刃口结构优化后的磨损分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 航空典型零件结构的高性能铣削工艺研究
• 5.1 航空典型零件结构
• 5.2 航空典型零件的大进给铣削工艺验证
• 5.2.1 航空典型零件结构的粗加工
• 5.2.2 航空典型零件结构的精加工
• 5.3 大进给铣削加工程序的优化方案
• 5.4 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
• 附件一