钛合金零件钻削过程仿真与试验研究

钛合金被广泛用于航空工业中,譬如民用飞机吊挂滑轨等典型结构的制造。钛合金作为难加工材料,通常使用钻削的方法进行加工,不同的钻削参数对应不同的钻削温度和钻削力,而钻削温度和钻削力对加工精度影响较大。为使加工参数和加工精度得到很好地匹配,借助Deform 3D有限元仿真软件建立了钛合金热应力耦合有限元模型,通过软件仿真研究钛合金滑轨在加工过程中的钻削力以及钻削温度。首先,对钻头和钛合金试件进行网格划分。其次,建立材料本构模型和切屑分离标准,使用仿真软件得到加工过程的钻削力和钻削温度。最后,采用试验方法获取钻削温度和钻削力,与仿真结果进行对比。结果表明:仿真结果与试验较为吻合,仿真能输出有效的钻削力和钻削温度。     

X射线衍射法测量残余应力的相对误差及不确定度评定

利用原位拉伸机进行单轴连续加载,对X射线法测量钛合金残余应力的应力增量进行验证;依据JJF 1059.1-2012标准,对钛合金高应力标样(-659±35)MPa的测量不确定度进行评定。结果表明,X射线衍射法测得残余应力的增量与理论计算应力增量有较好的一致性,随着应力水平的增加,应力增量的相对误差保持在11%以内。以测量重复性、应力常数K、应力因子M为不确定度分量对测量不确定度进行了评定,所得扩展不确定度为±32 MPa。     

合金成分对TA15钛合金组织及力学性能的影响

为分析TA15钛合金成分的微小变化与显微组织和力学性能之间的响应关系,利用电子万能拉力试验机和分离式霍普金森压杆(SHPB)装置测量了4种不同成分TA15钛合金的室温准静态拉伸性能和动态力学性能,结果表明:Zr元素对室温拉伸强度性能影响微弱,随着主合金元素Al、V和Mo元素含量的增加,初生α相含量减小,次生α相片层较细,合金的强度提高,塑性下降;在临界应变率范围内,合金成分的微小变化对动态力学性能的影响微弱,提高主合金元素Al、Zr、V和Mo元素含量,有利于提高合金的临界应变率,且在此临界应变率下具有优异的动态力学性能;对于空冷条件下获得的等轴组织TA15钛合金,初生α相体积分数越小、次生α相片层较细时有利于室温抗拉强度、临界应变率和动态力学性能的提高。     

TC4钛合金超声喷丸强化残余应力数值模拟分析

为了探究 TC4 钛合金超声喷丸过程中喷丸参数对残余应力的影响规律,基于 ABAQUS 建立了 TC4 钛合金超声喷丸强化的 3 维有限元模型,分别从超声喷丸模型中振动头振幅、弹丸数量和弹丸直径的变化对 TC4 钛合金表层及亚表层残余应力分布的影响进行了分析。结果表明:随着振动头振幅和弹丸直径的增加,试件表面及亚表面每层残余压应力分布范围及残余压应力值均增大,残余压应力层深度增加;随着弹丸数量的增加,仅能提高每层残余压应力的值,对残余压应力层深度影响较小。     

Ti/Al叠层结构低频振动制孔试验研究

钛合金与铝合金叠层构件的装配孔制备过程中存在孔壁质量差、尺寸超差等问题,为解决该问题,开展了低频轴向振动扩孔、铰孔与传统扩孔、铰孔的对比试验,重点分析了其在切屑形态、加工质量等方面的差异.结果表明,振动制孔技术能够产生C形或发条形切屑,利于切屑排出,减小铝合金孔壁的划伤.使用振动辅助技术进行一次扩孔与一次铰孔后,钛合金与铝合金孔壁粗糙度均可低于Ra0.6μm,孔径精度可满足H7公差等级,出口毛刺高度小于200μm.     

TA15钛合金电子束焊缝形貌及其组织研究

采用不同工艺参数对TA15钛合金进行电子束焊接,通过观察焊缝形貌、测量其形状参数研究了焊接接头形貌的变化规律,并分析了焊接接头组织。结果表明:增大电子束流时,熔深、半熔深熔宽、焊缝宽度都增大,焊缝横截面的形状从"钉形"转变为"钟罩形";增大焊接速度,对焊缝形状影响不大,熔深、半熔深熔宽及焊缝宽度均减小,深宽比先增大后减小;聚焦电流的增大对熔深作用较明显,半熔深熔宽及焊缝宽度变化不大;扫描幅值的增加使焊缝熔深减小,半熔深熔宽增大。靠近母材的热影响区组织与母材组织相近,主要由初生等轴状α相及转变β相组成,并出现针状(α+β);靠近熔合线的组织由α相和针状(α+β)相构成,并出现α'马氏体;熔合区组织由α'组成,熔合线周围柱状晶垂直于焊缝中心生长,并在焊缝中心形成单列或多列的等轴状晶。     

TC2薄壁钣金异型环快速制造工艺

对某种柔性的薄壁TC2钛合金异型环,传统的制造工艺由下料、拼焊、成形、机械加工、表面处理等工序组成。针对该工艺流程繁复、制造成本高的问题,提出一种不用成形的快速制造方法。该方法利用异形环平直母线可精确展开的特征,对其不同半径的锥面逐步展开后合理叠加成精确的展开图形,依图形下料并对焊成环。此方法仅需下料和焊接,无需成形和机械加工,流程简单,为该类零件的低成本、快速制造提供了新途径。     

扩散连接界面缺陷对Ti-6Al-4V合金力学性能的影响

研究了φ4mm与φ2mm的扩散连接界面缺陷对Ti-6Al-4V合金力学性能的影响。当拉伸载荷方向与缺陷平面平行时,材料的强度与塑性与无缺陷材料相当,这是由于此类缺陷对样品受力截面的面积几乎没有影响。含有φ4mm缺陷试样的拉压疲劳寿命展现出很大的分散性,界面缺陷并未成为裂纹萌生的唯一位置。从表面起裂的样品均处于高寿命区域,而绝大部分从缺陷处起裂的样品均落于低寿命区域。有限元分析表明,当缺陷位于中心位置时其引起的应力集中较小,应力分布梯度较小;缺陷位于边缘位置时,应力集中效应增大。     

FOD缺口型损伤对TC4疲劳极限强度的影响

针对TC4钛合金风扇/压气机叶片前缘常遭受的外物损伤(FOD)缺口型损伤,进行了不同冲击角度下高速弹道冲击试验研究、损伤特征与应力集中分析,开展了冲击后不处理和冲击后去残余应力退火试样的高循环疲劳试验和疲劳极限强度预测。结果表明:随着冲击角度的增大入射侧损伤尺寸和应力集中系数基本保持不变,出射侧缺口损伤深度和损伤长度减小。损伤深度范围为0.6~1.5mm,应力集中系数范围为2.6~3.4。缺口型损伤试样的疲劳极限强度下降为光滑试样的27%~53%,与应力集中系数并不是呈反比关系。退火试样的高循环疲劳(HCF)性能或略微下降或基本不变,表明残余应力影响较小,残余应力对疲劳极限强度的影响程度不足光滑试样的10%。缺口型损伤试样的HCF性能与损伤底部半径的相关性不明显,随着最大损伤深度和损伤长度的增加而下降,表明制定维修手册时应着重考虑缺口型损伤的最大深度和损伤长度。Peterson经验公式对HCF性能的预测精度不理想,误差最大为45%,需要发展高精度的FOD缺口型损伤构件HCF性能预测方法。      

4J29可伐合金超声振动辅助钻削试验研究

4J29可伐合金由于具有和奥氏体不锈钢相近的难切削特点,传统钻削制孔质量较差,为了研究4J29可伐合金制孔质量的影响因素,提高制孔质量,对4J29合金进行了不同加工参数下的普通钻削和超声振动辅助钻削试验并对钻削轴向力、孔径误差、孔壁粗糙度进行了测量。试验发现:4J29可伐合金在不同加工参数下(切削速度v=0.314～0.942m/s,进给速度f=10～30mm/min),超声振动辅助钻削可降低钻削轴向力,轴向力平均降低35.37N,降幅为18.45%;超声振动辅助钻削可提高制孔精度,孔径误差平均减小17.9μm,降幅为31.5%;超声振动辅助钻削可提高表面质量,对于轮廓算术平均偏差Ra,超声振动辅助钻削使其平均降低了0.4862μm,降幅为28.4%,微观不平度十点高度Rz平均降低了2.4940μm,降幅为20.0%。试验表明超声振动钻削4J29可伐合金比传统钻削加工更具优势,可获得质量更高的加工孔。