面向加工表面粗糙度的钛合金高速铣削工艺参数区间敏感性及优选

钛合金高速铣削以高效率、高质量的优点广泛应用于航空航天行业.针对高速铣削中表面粗糙度的工艺控制,提出了基于表面粗糙度经验模型的工艺参数灵敏度和相对灵敏度概念.通过高速端面铣削正交试验,建立了面向表面粗糙度的工艺参数灵敏度和相对灵敏度数学模型,研究了工艺参数区间敏感性分析方法,给出了工艺参数稳定域和非稳定域的划分原则和方法.结合正交试验法中的极差分析方法获得了不同切削工艺参数对表面粗糙度的影响曲线,提出了工艺参数区间的优选方法.研究结果表明:TC11钛合金高速铣削时,表面粗糙度对铣削速度的变化最为敏感,对每齿进给量变化敏感次之,对铣削宽度和铣削深度的变化不敏感;铣削速度优选在314～377 m/min范围,每齿进给量优选在0.03～0.05 mm/z范围,可控制表面粗糙度在0.6 μm以内.为优化钛合金材料高速铣削工艺以及进行表面粗糙度控制研究提供理论方法和试验依据.     

TC4钛合金盘铣开槽加工残余应力

整体叶盘盘铣开槽加工过程中铣削力大,铣削温度高,会在加工表面表成较深的残余应力层,对零件的疲劳寿命造成严重影响。为提高零件的疲劳寿命,本文以钛合金试块为研究对象,利用残余应力测试分析系统测量表面残余应力,利用拨层法测量次表面的残余应力,采用线性回归技术建立残余应力预测模型,并利用极差分析法分析工艺参数对残余应力的影响规律。试验结果表明:盘铣表面均为压应力,且轮毂面上的残余应力大于叶盆叶背面上的残余应力,均由挤光效应引起;回归预测模型的显著性水平为0. 01,其回归效果良好;各因素对σAx、σAy(σAx、σAy分别表示轮毂面x、y方向残余应力)的影响程度依次为主轴转速>进给速度>切削深度;对σBx(σBx表示叶盆叶背面x方向上的残余应力)的影响程度依次为主轴转速>切削深度>进给速度;残余应力纵向均为压应力,轮毂面上的分布深度为230~270μm,叶盆叶背面上的分布深度为170~175μm。     

高速端面铣削加工引入残余压应力场的试验研究

为研究高速铣削加工表面残余应力分布,在统计试验设计指导下,使用X射线衍射/电解抛光方法对试样表层、次表层残余应力分布进行测量,得出残余应力分布曲线经验预报公式,探讨切削参数对残余压应力场特征指标的影响规律。研究结果表明,合理的高速切削工艺将在加工表面内引入类似喷丸强化效果的残余压应力场;(3,1)有理式模型与三阶多项式模型是描述高速铣削引入残余应力分布曲线的有效拟合公式;高速切削工艺参数对加工表面残余应力场的产生有直接影响,每齿进给量是决定残余压应力分布的关键因素,每齿进给量的变化将引起残余应力场形成机理的改变。     

TC11钛合金插铣加工铣削力影响参数的灵敏度分析

 为优化钛合金插铣加工工艺参数,对铣削力的控制提供试验依据,采用三因素四水平正交试验方法对TC11钛合金进行了插铣试验,运用多元线性回归进行数值拟合,建立了三向铣削力的数学模型。基于此模型,采用灵敏度分析的方法,分别分析了三向铣削力对铣削速度、每齿进给量和铣削深度的绝对灵敏度和相对灵敏度,研究了铣削参数对铣削力的影响规律。结果表明：钛合金插铣加工中,三向铣削力都随着铣削速度、每齿进给量和铣削深度的增加而增加,但影响程度不同;z向铣削力比x向、y向铣削力对铣削参数变化更为敏感;三向铣削力都是对铣削深度的变化最敏感,对每齿进给量次之,对铣削速度最不敏感。     

高速铣削参数对TC17钛合金表面变质层的影响

为优化TC17钛合金球头铣刀高速铣削参数和为控制表面变质层提供实验依据,采用中心复合响应曲面法,建立表面粗糙度预测模型,采用方差分析对模型和输入参数的显著性进行检验,分析铣削参数对表面粗糙度的影响规律,同时对高、中、低三种铣削参数水平下的残余应力、显微硬度和微观组织进行检测。结果表明:该模型可以有效预测球头铣刀高速铣削TC17钛合金后的表面粗糙度,每齿进给量和铣削宽度对表面粗糙度影响显著;铣削后表面为残余压应力状态,随着铣削参数水平的增大,表面残余压应力增大,残余压应力层在20μm左右;表层显微硬度经历了"热软化-加工硬化-趋于稳定"的过程;表层晶粒出现了破碎、弯折,塑性变形层厚度约为10μm。     

TC17钛合金高速铣削表面粗糙度及参数灵敏度研究

采用单因素试验法,对硬质合金刀具高速铣削TC17钛合金时,切削参数对表面粗糙度的影响规律进行了研究,为钛合金整体叶盘叶片类零件精加工的高速切削工艺参数优化提供了试验依据.对切削参数的灵敏度进行了分析,可以看出,每齿进给量对表面粗糙度的影响最为敏感,其次是切削速度和铣削深度.     

TC17钛合金铣削刀具磨损对残余应力影响研究

为了获得高性能航空发动机用TC17钛合金材料铣削过程中刀具磨损对残余应力的影响规律,通过对不同刀具后刀面磨损量下铣削工件表层残余应力的测试,建立了刀具磨损对残余应力的影响关系,并对影响机理进行了分析。结果表明,硬质合金刀具低速铣削钛合金时,刀具对已加工表面的挤光效应引起的残余压应力占主导地位;不同刀具后刀面磨损量下,残余压应力沿深度方向先增大达到一个最大压应力值后,然后减小趋向于零应力;表面残余应力、最大残余压应力以及残余应力的影响深度都随刀具后刀面磨损量的增大呈增大趋势。     

刀具磨损对TC11铣削表面粗糙度与残余应力的影响

为了研究TC11钛合金铣削加工过程中刀具磨损对加工表面质量的影响规律,设计了刀具磨损与铣削表面粗糙度、表面残余应力的试验。结果表明:TC11钛合金铣削加工过程中的刀具磨损可以分为:初期磨损、正常磨损、剧烈磨损三个阶段。当刀具处于"初期磨损"时,TC11铣削表面粗糙度随切削时间逐渐减小,铣削表面残余应力也呈减小趋势;当刀具处于"正常磨损"阶段时,铣削表面粗糙度和铣削表面残余应力都呈增加趋势,但增加的速度平稳;当刀具进入"剧烈磨损"阶段时,铣削表面粗糙度迅速增大,表面残余应力也较前两个阶段显著增加。另外,试验过程中的TC11铣削表面残余应力均表现为压应力。     

钛合金TB6铣削参数对表面完整性的影响研究

通过TB6钛合金的侧铣加工试验,研究了工艺参数对钛合金加工表面完整性的影响规律.试验结果表明:每齿进给量的变化对加工表面形貌和粗糙度的影响最大;增大每齿进给量和铣削宽度,表面残余压应力有所增大,残余应力影响层变深,材料的硬化深度和硬化程度也有所增大;每齿进给量和铣削宽度的变化对塑性变形层的深度影响较小.     

TC4合金低塑性抛光过程数值模拟

为了研究低塑性抛光工艺参数对材料表面性能的影响,采用有限元分析软件ANSYS对TC4合金板材低塑性抛光表面强化过程进行了数值模拟。运用单因素试验法分别分析了液压油预压力、滚压速度、滚压道次、进给量4个工艺参数对表面残余应力的影响。结果表明:液压油预压力对残余应力分布影响最大,增加液压油预压力可使残余压应力层深度明显增加;滚压速度和滚压道次主要影响表面残余应力,表面残余压应力随滚压速度减小和滚压道次增加而增大;进给量对残余应力分布均匀性有显著影响,减小进给量可使均匀性增高。通过对比残余应力分布,建议液压油预压力设为450 N,滚压速度取为10 mm/s,进给量取为0.1 mm,滚压道次选择为3次。研究结果可为TC4合金低塑性抛光试验工艺参数选取提供理论参考。     

高速铣削TC21 钛合金的表面粗糙度

通过对TC21钛合金进行高速铣削加工试验,测量不同切削参数下的表面粗糙度.采用正交方法来安排试验和极差分析法对实验数据处理,分析了不同切削参数对粗糙度的影响.其中对TC21钛合金表面粗糙度影响最为显著的因素是每齿进给量,其次为切削深度和切削速率,最后为切削宽度.通过对粗糙度影响机理分析在加工中宜采用较小的进给量和切削深度、较大的切削速率和切削宽度.     

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。     

TB6钛合金抛光表面完整性试验

针对目前TB6钛合金类零件主要依靠手工抛光的技术问题,提出了羊毛毡轮数控抛光工艺,研究了抛光参数对表面粗糙度、表面硬度、表面残余应力的影响,进行了羊毛毡轮抛光参数优化,优选出了一组抛光参数:线速度v_s=19.63m/s,进给速度v_f=300mm/min,预压量a_p=0.5mm,加工行宽w=0.5mm。在此抛光参数下,羊毛毡轮抛光能够有效去除铣削刀纹,抛光后表面粗糙度R_a=0.15μm,并且抛光后表面残余应力为压应力。试验结果表明,该抛光方法能够有效地改善零件的表面完整性。     

Effects of in-situ TiB2 particles on machinability and surface integrity in milling of TiB2/2024 and TiB2/7075 Al composites

In-situ ceramics particle reinforced aluminum matrix composites are favored in the aerospace industry due to excellent properties. However, the hard ceramic particles as the reinforcement phase bring challenges to machining. To study the effect of in-situ TiB₂ particles on machinability and surface integrity of TiB₂/2024 composite and TiB₂/7075 composite, milling experiments were performed, and compared with conventional 2024 and 7075 aluminum alloys. In-situ TiB₂ particles clustered at the grain boundaries and dispersed inside the matrix alloy grains hinder the dislocation movement of the matrix alloy. Therefore, the milling force and temperature of the composites are higher than those of the aluminum alloys due to the increase of the strength and the decrease of the plasticity. In the milling of composites, abrasive wear is the main wear form of carbide tools, due to the scratching of hard nano-TiB₂ particles. The composites containing in-situ TiB₂ particles have machining defects such as smearing, micro-scratches, micro-pits and tail on the machined surface. However, in-situ TiB₂ particles impede the plastic deformation of the composites, which greatly reduces cutting edge marks on the machined surface. Therefore, under the same milling parameters, the surface roughness of TiB₂/2024 composite and TiB₂/7075 composite is much less than that of 2024 and 7075 aluminum alloy respectively. Under the milling conditions of this experiment, the machined subsurface has no metamorphic layer, and the microhardness of the machined surface is almost the same as that of the material. Besides, compared with 2024 and 7075 aluminum alloy, machined surfaces of TiB₂/2024 composite and TiB₂/7075 composite both show tensile residual stress or low magnitude of compressive residual stress.     

钛合金螺旋铣孔孔径偏差研究

螺旋铣孔是航空航天领域新出现的制孔技术,其切削过程中会产生径向切削力,从而引起刀具变形并造成孔径偏差。针对该问题开展了钛合金螺旋铣孔孔径偏差试验,分析了包括进给方向在内的不同加工参数对孔径偏差的影响规律;基于螺旋铣孔运动学原理对不同进给方向下的材料去除过程和径向切削力方向进行了研究,分析了不同进给方向下的孔径偏差变化规律及形成原因,并设计切削力试验进行了验证;通过分析不同加工参数下的未变形切屑形状及径向切削力变化情况,研究了各加工参数对孔径变化趋势的影响规律。研究结果表明,当进给方向为顺时针时,刀具受背离孔心的径向切削力的作用向孔径外侧发生挠曲变形,导致所加工孔径大于理论孔径;当进给方向为逆时针时则相反。进给速度和导程的增加将加剧孔径偏差,切削速度的增加则会减弱孔径偏差。     

基于灰色关联分析的微量润滑系统工艺参数优化

为解决钛合金铣削加工中微量润滑系统工艺参数优化问题,采用正交试验法以空气流量、切削液用量、切削液浓度为变量,表面粗糙度Ra和切削力为评价指标开展钛合金微量润滑铣削试验。基于灰色关联和主成分分析法对微量润滑系统工艺参数进行多目标优化,通过分析各因素对灰色关联度的影响规律,确定了最佳系统参数组合为空气流量90L/min、切削液用量15mL/h、切削液浓度70%。经验证优化后的工艺参数可有效提高工件表面质量,减小切削力,为合理选择微量润滑系统工艺参数提供了参考依据。     

超高强度钢立铣工件温度分析及对加工表面质量的影响

以航空难加工材料300M钢为研究对象,基于立铣加工中的工件温度判断在铣削加工中是否出现了金相组织转变,进而分析不同工况下影响加工表面质量的因素。首先,将移动热源法应用于铣削加工中,计算考虑后刀面磨损的立铣加工工件温度,实验表明,计算值与实验值相比误差在10%以内。然后,分析了工件温度在时间上与空间上的分布,以及不同刀具磨损和加工参数条件下工件表面的温升规律,据此预测加工表面是否出现了组织转变,并结合金相组织观察进一步确认。最后,依据加工表面质量物理层面残余应力和显微硬度的检测数据,初步探讨了各因素对表面质量的影响。结果表明,在研究的加工参数范围内,并未达到金相组织转变温度,表面质量主要受铣削热力作用下的剪切面塑性凸出效应、后刀面挤光效应和热效应的影响。     

CFRP铣削有限元模型建立及切削力仿真分析

为探索碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)铣削加工过程中切削力与工艺参数之间的映射关系,建立CFRP铣削加工有限元仿真模型并对切削力进行分析。基于ABAQUS软件通过定义材料属性、材料失效模型、纤维铺层数和纤维方向建立了CFRP铣削加工二维有限元仿真模型,并对该模型进行了实验验证。基于该模型,分析了切削力与纤维方向角、铣削速度、每齿进给量和刀具前角等工艺参数之间的映射关系。仿真结果表明:纤维方向角从0°增大到90°,切削力呈现降低趋势,而纤维方向角从90°增大到180°,切削力呈现增大趋势。随着切削速度和每齿进给量的增大,切削力随之增大,而随着刀具前角增大,切削力随之减小。