航空航天难加工材料切削加工过程模拟与智能控制综述

随着航空航天关键构件服役性能要求的不断提升,高性能钛合金、镍基高温合金、高强度钢等难加工材料大量应用到航空发动机等重大装备。切削加工是高强韧难加工材料的重要加工方法,在加工过程中普遍存在切削力大、切削温度高、工具磨损严重和加工质量差的问题。针对当前航空航天难加工材料切削加工过程切削力、切削温度、工具磨损及表面质量的仿真技术与智能控制技术进行了系统性的总结和梳理,分析了当前研究存在的主要问题与关键挑战,对切削加工过程仿真模拟与控制技术的未来发展趋势进行了展望。     

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。     

钛合金风扇叶片磨抛加工性能试验研究

针对钛合金风扇叶片磨抛加工中砂轮易磨损、工件表面易烧伤的问题,开展了钛合金材料磨抛加工性试验研究,主要考察砂轮选型、磨抛工艺参数等关键因素对钛合金材料磨抛加工性的影响,并对试验结果进行了分析研究。试验结果表明,在保证工件表面加工质量(R_a0.8μm,表面无烧伤)的前提下,普通磨料砂轮GC46L10V磨抛加工钛合金的材料去除率和磨抛比分别可达5000mm~3/min和2.5,超硬磨料陶瓷结合剂CBN砂轮磨抛加工钛合金的材料去除率和磨抛比分别可达2000mm~3/min和4。基于研究结果,针对钛合金风扇叶片开展了砂带磨抛加工验证试验,工件加工质量良好。     

稀土镧对Ag-Cu-Ti钎料微观组织与性能的影响

研究了稀土元素镧对Ag-Cu-Ti钎料合金微观组织、物理性能和显微硬度的影响。实验结果表明,添加一定量的稀土元素镧对Ag—Cu—Ti钎料合金的熔化温度无明显影响,但可显著提高钎料合金的润湿性能和显微硬度。分析结果表明,稀土元素镧可以细化钎料合金的微观组织,使金属间化合物分布更加均匀。这也是实验条件下Ag—Cu—Ti钎料合金显微硬度提高的主要原因。钎料Ag—Cu—Ti合金中稀土镧加入的质量分数不应超过0．5％。     

定向凝固镍基高温合金叶片榫齿高效深切成型磨削

针对定向凝固镍基高温合金DZ125叶片榫齿,采用电镀成型CBN砂轮对其进行了高效深切磨削(High efficiency deep grinding,HEDG)试验,对磨削比能及工件表面完整性进行了分析。结果显示,在保持速比(vs/vw)不变时,提高磨削速度vs可有效降低磨削比能,提高平均材料去除率。磨削比能表现出"尺寸效应",其值最终稳定在40~60J/mm3之间;在相同的平均材料去除率下,磨削比能随着磨削深度的增大而上升;在相同的单颗磨粒切厚下,磨削深度的差异对磨削比能的影响较小。对试验中最大平均材料去除率下获得的工件表面质量进行分析发现,已加工工件表面不同区域磨削纹理均很清晰,无皱叠及犁沟两侧翻起等现象;表层金相显微组织基本无变化,未发现相变、撕裂及晶粒扭曲现象;工件表层加工硬化程度为7.7%~19%,深度为40μm。结果显示了HEDG在高效磨削DZ125叶片榫齿中推广应用的潜力,并为其实际生产中磨削参数的选择提供了参考。     

Development and Prospectives of Ultra-High-Speed Grinding Technology

Ultra-high-speed grinding(UHSG)is a significant and powerful machining method in view of the enhanced productivity and precision demands.Previous researches regarding formation mechanisms and crucial technologies are comprehensively and thoroughly summarized to highlight state-of-art technology of UHSG.On the basis of the interdependence between process and machine innovations,theoretically,grinding mechanisms in strain hardening,strain rate strengthening,thermal softening,size effect and process characteristics need more in-depth studies to clarify the dominance of UHSG.Technically,CFRP wheel integrating with the brazed bonding has a prominent advantage in bonding strength and grit′s configuration over vitrified bonding,which would be superior in UHSG.Furthermore,external high pressure cooling combining with inner jet cooling methods,accompanied by scraper plates to alleviate the effect of air boundary,are crucial and practical measures for realizing effective cooling in UHSG.Grinding processes,especially those being related to grinding parameters and precise in-process measuring approaches,are also prerequisite for fitting and investigation of UHSG.     

热管砂轮缓进给深切磨削钛合金试验

分析了热管砂轮在磨削过程中的强化换热原理并研制出可用于磨削加工的热管砂轮,实现了对热管砂轮的抽真空检漏、精确注液以及真空封尾。最后,开展了热管砂轮缓进给深切磨削TC4钛合金的试验研究。试验结果表明,热管砂轮能将磨削弧区积聚的热量通过砂轮内部热管的换热作用快速疏导出去,从而有效降低磨削温度,避免工件烧伤。     

置氢处理对TC4钛合金流变行为的影响

应用材料试验机及霍普金森压杆装置(SHPB)对切削用置氢TC4钛合金进行了静态和动态压缩实验,获得了不同温度和应变率下的应力-应变曲线。实验中应变率范围为0.001～15000s-1,温度范围为293～973K。分析比较了合金流变应力对温度及应变率的敏感性。结果表明,置氢TC4钛合金具有较强的热软化效应,而应变率强化效应则相对较弱。随氢含量的增加,流变应力呈现先减小后增大的规律,氢含量0.3%时,最大降幅达25%。根据流变应力的变化规律及相关切削理论,对实验中切削力及切削温度的变化情况进行了分析。最后基于Johnson-Cook本构模型,拟合了模型中的参数,其预测值与实验结果吻合较好。     

难加工材料精密孔高效珩磨技术研究进展

珩磨技术凭借加工精度高、材料去除率大的优势,广泛应用于精密孔加工.航空发动机广泛采用高温合金、钛合金、不锈钢等航空难加工材料,其难加工性降低了珩磨加工的材料去除及误差修正能力,限制了珩磨工艺在航空发动机精密孔加工中的进一步应用.为突破难加工材料珩磨工艺瓶颈,对难加工材料珩磨工艺特性进行分析,并以高效精密珩磨工艺及工具为切入点,归纳了航空难加工材料精密孔高效珩磨技术现状,并对其发展趋势进行了预测.     

SiC_p/Al复合材料高速铣削切削力模型建立

使用聚晶金刚石(PCD)刀具并采用正交试验设计法,对含不同体分比的碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiCp/2009Al)进行高速铣削试验。在测量切削力和切屑厚度的基础上,建立了剪切角、剪切应力和摩擦角的预测模型,并结合金属切削基本理论公式建立了切削力的预测模型。该模型包含铣削速度、每齿进给量、径向切宽、增强颗粒体分比等重要参数,模型对进给方向最大铣削力预测值的平均误差为5.9%,对铣刀径向切深方向最大铣削力预测值的平均误差为9.2%,皆高于普通经验公式的预测精度,从而可对SiCp/2009Al复合材料高速铣削时的铣削力进行有效预测。