航空锻造技术的应用现状及发展趋势

随着航空产业的不断发展,对航空装备极端轻质化与可靠化的追求越来越急迫,对材料和锻件的性能要求(如比强度、强韧性)也越来越高.钛合金、高温合金等材料的应用日益广泛,以航空工业为例,F-22和F-35飞机钛合金用量已分别高达39％和27％,先进航空发动机中高温合金和钛合金锻件重量占发动机总结构重量的55％～65％[1].而高温合金、钛合金属于难变形材料,即加工参数范围狭窄、变形抗力大、组织性能对加工过程十分敏感.所以锻造技术在航空制造领域的应用相比其他工业领域难度较大.     

先进航空焊接技术

焊接是航空发动机制造中的关键技术之一,随着对航空发动机高推重比、高可靠性、长寿命和低成本设计和制造要求的不断提高,现已大量采用新材料、新结构,如风扇整体叶盘、单晶涡轮叶片以及多孔层板结构等,焊接作为主要的加工工艺,其连接工艺性、表面完整性、质量稳定性和使用可靠性已成为决定航空发动机性能的关键因素.从先进航空发动机焊接技术的发展趋势看,过渡液相扩散连接(TLP-DB)、焊接修复及增材制造技术、激光(复合)焊接技术和焊接表面完整性(焊缝性能恢复及增强技术)等会成为今后新结构、新材料连接技术的重要发展方向.     

钛合金TC4高速铣削表面完整性的研究

研究了钛合金TC4材料在高速铣削与常规铣削参数条件下的加工表面完整性 ,表明高速铣削在提高制造效率和改善表面质量上都是非常有益的 ,值得在飞机薄壁结构件生产中推广应用     

航空发动机钛材料磨削技术研究现状及展望

钛材料主要指钛合金、钛铝金属间化合物和钛基复合材料，具有密度低、强度高、抗氧化与蠕变性能好等优异特性，在航空发动机领域具有广泛应用前景。钛材料属于典型的难加工材料。磨削是高效精密加工钛材料的重要方法，可以获得良好的加工精度和表面质量。首先概述了钛材料在航空发动机中的应用及其磨削工艺技术总体情况。随后，从磨削力与磨削温度、砂轮磨损、材料去除机理、表面完整性等方面阐述了钛材料磨削技术的研究进展，并总结了针对钛材料磨削关键问题提出的新工艺和新方法。最后，对钛材料磨削技术未来的研究方向进行了展望。     

超硬刀具高速切削钛合金研究进展

国内要在超硬刀具高速切削钛合金关键技术方面取得突破,须通过进一步合理地选择刀具材料及几何参数,优选切削用量,针对不同的加工对象制定相应的加工工艺规范,最终高效率地加工出表面完整性优异的航空零件。     

基于加工表面完整性的TB6精铣参数优选

TB6高强度钛合金因其优良的比强度和热变形性能被广泛应用于航空领域,是制造直升机旋翼系统主承力结构件和起落架的主要材料.为了使零件获得较佳的疲劳性能,基于加工后的表面完整性指标对其精铣加工参数进行了优选.试验结果表明,每齿进给量fz对加工后的表面粗糙度Ra和表面残余压应力σH有较大影响,随着每齿进给量fz的不断增大,表面粗糙度Ra近似线性增大,表面残余压应力的幅值也随之增大;线速度vc主要影响加工表面显微硬化率,显微硬化率随线速度的增大而降低;径向切宽ae对加工表面残余应力也有较大的影响,随着ae的增大,加工表面残余压应力的幅值逐渐降低.因此,从提高零件疲劳寿命的方面考虑,在满足例如零件表面质量要求和生产效率等各项生产要求的前提下,应尽可能降低铣削线速度,减小径向切宽,提高每齿进给量,适当选择轴向切深.     

镍钛记忆合金增材制造技术研究进展及其在航空领域的应用前景

镍钛合金具有特异的形状记忆效应与超弹性、高阻尼性、良好的机械性能,是制造驱动器、阻尼器等的功能结构材料.由于镍钛合金的熔炼制备与机加工性能较差,目前应用的镍钛合金构件通常外形简单且尺寸较小,限制了其在航空等领域大型结构件中的应用.金属增材制造技术为形状复杂的大型镍钛合金构建的制造开辟了新途径.综述了镍钛合金的增材制造技术的现状,并举例说明其在航空制造领域中的应用.     

硬质合金刀具高速铣削钛合金技术

与结构钢、不锈钢和高温合金相比,钛合金对表面损伤和缺陷具有更大的敏感性。钛合金在使用过程中,曾出现过许多断裂事故,其中绝大多数都与疲劳断裂有关,而钛合金零件的疲劳抗力对零部件的表面完整性特别敏感。因此,加工表面完整性及其对零部件使用性能的影响是目前钛合金零部件的制造者和使用者最关心的课题之一。     

碳纤维增强复合材料与钛合金钻孔技术研究进展

随着中国提出“中国制造2025”发展战略,以及数字化自动装配技术的广泛应用,对于钛合金、碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced plastics,CFRP)的钻孔加工提出更高的要求.从钛合金、碳纤维增强复合材料的钻孔切削加工特性出发,对传统钻孔加工中,在孔加工质量、钻孔刀具两方面近些年来一些研究成果进行总结,简述了碳纤维增强复合材料、钛合金的钻孔技术研究状况,并指出未来研究的重点与关注点,将对这两种材料实际钻孔加工具有指导借鉴意义,提高航空产品制造及装配效率.     

钛合金激光砂带加工的离焦控制与表面形貌

钛合金由于优越的热机械特性（耐高温和耐腐蚀）而被广泛应用于航空航天、核电领域，但独特的低导热系数、高强度和加工硬化性能导致其加工困难，表面完整性难以保持。激光辅助加工方法可以有效地提高难切削材料的切削性能，提高其表面完整性。提出一种激光加工与砂带磨削融合的特种加工方法（激光砂带加工方法）,建立了激光砂带加工的焦点控制运动模型，通过对焦点的控制实现利用激光加热特性和砂带磨削柔性特性快速去除材料，在自行搭建的激光砂带加工实验平台进行了加工实验，对不同离焦量下激光砂带加工的钛合金样品的表面三维形貌、微观结构进行了分析和比较。结果表明，激光砂带加工过程中离焦量的大小极大程度影响了激光的能量分布，导致激光砂带加工机理发生变化，离焦量的减少导致表面算术平均偏差S_a先从8.07μm减少到7.40μm然后增加到22.1μm,材料的气化和熔化去除现象更加明显。最后证明了激光砂带加工方法可以改善钛合金的加工性能，提升表面的耐磨损性能，具有广阔的应用前景。     

TC4钛合金高速外圆磨削表面完整性实验

为充分发挥钛合金的优良性能,以TC4为研究对象进行高速外圆磨削实验,分析外圆磨削工艺参数对工件表面完整性的影响规律。结果表明:工件亚表面未出现变质层;随着砂轮线速度提高,表面质量提高;随着工件转速提高,表面划痕明显;随着磨削深度增加,出现表面烧伤现象,并且磨削深度对表面完整性的影响程度最大;磨削力与磨削温度对表面硬度的影响是正相关的,且磨削力对表面硬度的影响程度较大。因此可以通过选择合理的工艺参数来保证较大的材料去除率与较好的工件表面质量,为TC4钛合金高速外圆磨削提供指导。     

基于单颗粒模型的航发叶片砂带磨削微观仿生锯齿状表面形成及实验

基于鲨鱼皮衍生出来的微观仿生表面被广泛应用于机翼等航空零部件的设计中，对于提高航空零部件的疲劳寿命、气流动力性等服役性能具有重要作用。砂带磨削能实现零部件表面的高完整性要求的加工，故常用于叶片、整体叶盘等复杂曲面的精密磨削，且能实现微观表面形状，但目前缺乏砂带磨削微观表面的系统研究从而难以实现其精确控制。首先，分析了微观仿生锯齿状表面的典型结构特征，基于单颗粒砂带磨削模型，研究了单颗粒砂带磨削去除机理；然后，建立了砂带磨削多颗粒参数化数学模型，提出了微观仿生锯齿状表面砂带磨削方法；最后，以钛合金叶片型面为对象，搭建以钛合金为典型材料的微观仿生锯齿状表面砂带磨削基础实验平台，进行仿生表面的实验验证。通过对磨削后叶片的表面微观形状参数进行检测，结果表明通过砂带磨削方法实现的微观仿生锯齿状表面以锯齿形沟槽为主，其中沟槽的宽度在2.5~8 μm之间、平均值为4.91 μm，沟槽的高度在3.5~9 μm之间、平均值为5.91 μm，沟槽的夹角在28°~68°之间、平均值为42.3°，验证了微观仿生锯齿状表面砂带磨削的可行性。     

Minimum quantity lubrication machining of aeronautical materials using carbon group nanolubricant: From mechanisms to application

It is an inevitable trend of sustainable manufacturing to replace flood and dry machining with minimum quantity lubrication (MQL) technology. Nevertheless, for aeronautical difficult-to-machine materials, MQL couldn’t meet the high demand of cooling and lubrication due to high heat generation during machining. Nano-biolubricants, especially non-toxic carbon group nano-enhancers (CGNs) are used, can solve this technical bottleneck. However, the machining mechanisms under lubrication of CGNs are unclear at complex interface between tool and workpiece, which characterized by high temperature, pressure, and speed, limited its application in factories and necessitates in-depth understanding. To fill this gap, this study concentrates on the comprehensive quantitative assessment of tribological characteristics based on force, tool wear, chip, and surface integrity in titanium alloy and nickel alloy machining and attempts to answer mechanisms systematically. First, to establish evaluation standard, the cutting mechanisms and performance improvement behavior covering antifriction, antiwear, tool failure, material removal, and surface formation of MQL were revealed. Second, the unique film formation and lubrication behaviors of CGNs in MQL turning, milling, and grinding are concluded. The influence law of molecular structure and micromorphology of CGNs was also answered and optimized options were recommended by considering diverse boundary conditions. Finally, in view of CGNs limitations in MQL, the future development direction is proposed, which needs to be improved in thermal stability of lubricant, activity of CGNs, controllable atomization and transportation methods, and intelligent formation of processing technology solutions.     

基于响应表面法的钛合金零件磨抛加工工艺参数优化

钛合金的化学活性高、热导率低、弹性模量小,是一种典型的难加工材料。随着工业技术的发展,现代工业对钛合金的表面质量提出了更高的要求,因此,对于钛合金磨抛加工这种能够获取高表面质量的加工方法的研究显得非常重要。采用Box-Behnken试验设计方法,进行了工艺参数对表面粗糙度的影响试验,然后基于响应表面法,建立了钛合金磨抛加工表面粗糙度二阶预测模型,并对工艺参数进行了优化。     

整体叶盘铣削数控编程与加工技术

整体叶盘有良好的结构完整性、轻质化、装配环节少、装配精度高等优点,已被广泛应用于航空发动机中。根据整体叶盘的切削加工特征,将其简化为整体叶盘基准件,从数控编程和加工技术两方面实现整体叶盘的高质量加工。首先,利用Hyper MILL软件对整体叶盘基准件进行数控编程,优化获得理想的刀具路径,保证高效高质量的零件加工。然后,利用DMU-70V五轴加工中心对钛合金TC4整体叶盘基准件进行切削加工,在整体叶盘基准件叶片和流道几何特征的精加工时,选用不同型号的立铣刀,并监测加工过程中的切削力。最后,对加工后叶片和流道加工表面形貌进行测试分析,并结合切削力对比分析国产刀具和进口刀具对钛合金整体叶盘的切削加工性能。     

高低频复合振动钻削CFRP/钛合金叠层结构试验

针对碳纤维增强复合材料（CFRP）和钛合金叠层结构在传统钻削过程中切削温度高、加工质量差等问题,基于低频振动钻削和高频（超声）振动钻削的优势,提出了高低频复合振动钻削的加工方法。采用自主研制的高低频复合振动钻削装置,对CFRP/钛合金叠层结构进行了制孔试验,对比研究了普通钻削、超声钻削、低频振动钻削和高低频复合振动钻削4种方式下的切削力、钛合金切屑形貌、切削温度和CFRP孔加工质量。结果表明：4种加工方式中,高低频复合振动钻削的轴向力波动相对较大,切削温度显著降低,产生的钛合金切屑呈不连续扇形且整体尺寸最小,CFRP孔出入口及孔壁的损伤程度最低,显著提高了加工质量,为复合材料叠层结构一体化制孔加工提供了指导意义。     

TC4钛合金侧铣加工表面形貌分析及工艺参数优化

TC4钛合金是 1种典型的不易加工材料,其切削加工表面质量很难控制。为实现面向侧铣加工表面形貌的切削工艺参数优选,开展了 TC4钛合金侧铣加工实验研究。首先,探究了加工表面微观缺陷特征及其形成机制;然后,采用粗糙度参数 Ra和 Sa对铣削表面形貌进行定量表征,并分析了切削速度、进给量和切削深度对表面粗糙度参数的影响;最后,基于遗传算法(Genetic Algorithm,GA)对铣削工艺参数进行了优化。研究发现,加工表面微观缺陷主要有进给刀痕等固有缺陷和黏附颗粒等随机缺陷。铣削表面粗糙度随主轴转速的增大先减小后增大;随径向切深的增大先增大后减小;随进给量先增大后减小。在主轴转速 n = 1 093 r/min、径向切深 ae = 0.2 mm、每转进给量 f = 0.06 mm/r的条件下可以获得较小的表面粗糙度。     

γ-TiAl合金铣削加工表面残余应力研究

为了探索高温理想结构材料γ-Ti Al合金铣削表面残余应力特性,结合正交试验数据处理方法中的极差分析法,建立各工艺因素情况下不同水平对表面残余应力的关系曲线,并对其工艺过程中的热力影响机理进行分析;同时建立面向残余应力的各因素灵敏度数学模型,进而确定以获取较大残余压应力为目标的工艺参数优选区间。研究表明:在试验参数限定范围内,步进方向以及进给方向均呈现为残余压应力,主要原因是冷塑性变形占主导作用。通过对灵敏度数学模型进行分析,发现残余应力对设计变量中的铣削速度变化最敏感,对每齿进给量、铣削深度和铣削宽度的敏感程度近似相同,为Ti Al金属间化合物铣削表面残余应力控制研究提供了理论依据。     

钛合金TC4电火花诱导可控烧蚀高效磨削技术研究

利用大部分金属尤其是难加工金属的可燃特性,开发一种针对难加工金属材料的新加工工艺——电火花(EDM)诱导可控烧蚀高效磨削技术。采用开槽导电砂轮进行磨削加工,首先利用导电区域与加工材料产生电火花诱导放电并通入助燃氧气,使材料表面产生电火花引燃烧蚀并软化,然后将已烧蚀和软化的材料磨除,对钛合金TC4进行烧蚀磨削试验,并与常规电火花磨削和机械磨削进行对比,分析了材料去除率(RMM)、表面质量和机床主轴电机功率变化等指标。结果表明,在试验条件下,烧蚀磨削在放电利用率提高的同时可获得表面粗糙度为0.59 μm的加工表面,与机械磨削的表面粗糙度值相近,而相同条件下电火花磨削的表面粗糙度为1.29 μm。由于烧蚀后产生了软化层,在切深小于软化层厚度的条件下,相对于电火花磨削和机械磨削状况,烧蚀磨削主轴电机功率相比空载时的增加值分别降低了95.2%和96.8%。此工艺方法可大大提高难加工材料的可磨削性能。