铣削加工表面疲劳应力集中系数分析与实验研究

摘要

动力定位全回转推进器结构、运动复杂，在海洋工况下承受大风、大浪、洋流等交变载荷。其整机最大推力近80吨，即便8台同步运转，单台桨叶也要承受10吨的负载。苛刻的服役条件和恶劣的工况对螺旋桨的服役寿命等性能提出了极高的要求。可调距螺旋桨主要的加工工艺为铣削加工，铣削加工后会在零件表面形成一层加工变质层，这种加工变质层可以通过表面完整性数据集去定量表征。表面完整性参数主要包括表面粗糙度、残余应力、硬度、金相等特征量。在循环交变载荷的作用下，这些特征量的不均匀性会在加工表面形成应力集中区域，而通常情况下，应力集中区域容易诱导裂纹的萌生。
　　为了提高零件的服役寿命，需要研究螺旋桨铣削加工后的表面状态特征，铣削工艺参数对表面完整性参数的作用规律以及铣削加工后表面状态量对服役寿命的影响等方面的内容。当前，针对以上研究主要存在如下问题：（1）动力定位螺旋桨为大型曲面零件，对其加工后的表面完整性参数进行测量具有一定难度。（2）表面完整性参数较多，目前多数研究都是定性地描述各个参数对疲劳性能的影响，极少有专门用来表征加工表面质量对疲劳性能影响的评价指标。
　　本文以建立加工零件的疲劳性能评价指标为主要任务，对螺旋桨铣削加工后的表面形貌参数进行了提取分析，通过与铣削试样表面形貌相关参数的对比分析，支撑了通过铣削平板试样模拟螺旋桨加工表面特征的可行性；基于弹塑性断裂力学相关原理，采用疲劳应力集中系数表征了表面形貌，残余应力以及材料特性对疲劳性能的影响，并建立了相应的评价模型；采用有限元方法，利用椭圆凹口模拟切削加工后的表面形貌二维轮廓曲线，研究了表面形貌参数和残余应力对应力集中的影响；设计铣削实验，得到不同铣削工艺参数下的零件表面，完成表面形貌参数，残余应力以及硬度的测量，分析总结了铣削参数对表面完整性参数的影响规律；采用建立的疲劳应力集中系数模型对加工表面疲劳性能进行评价，并通过三点弯曲疲劳实验对评价结果进行验证。
　　疲劳应力集中系数一方面可为零件的抗疲劳设计提供相应参考，另一方面可用于描述加工表面质量对疲劳性能的影响，并为铣削工艺参数的选择提供相应参考，为建立一个集设计、制造，性能评价为一体的综合平台提供了接口。

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1绪 论

1.1课题来源

1.2课题研究的背景与意义

1.3表面完整性的研究现状

1.4表面完整性对疲劳性能的影响

1.5本文的主要研究内容

2表面完整性表征参数

2.1表面完整性的概念

2.2表面形貌参数

2.3表面力学参数

2.4本章小结

3铣削表面应力集中系数评价原理

3.1应力集中的定义

3.2缺口敏感性

3.3表面几何的应力集中表述

3.4曲面的应力集中的表述

3.5本章小结

4表面形貌及残余应力对应力集中影响仿真

4.1单凹口下各参数对Kt的影响

4.2多凹口下各参数对Kt的影响

4.3考虑残余应力作用下的影响

4.4本章小结

5铣削表面疲劳性能评价实验研究

5.1螺旋桨表面形貌及残余应力特点

5.2铣削实验设计

5.3铣削参数对表面完整性的影响

5.4疲劳性能评价实验分析

5.5本章小结

6总结与展望

6.1全文总结

6.2研究展望

致谢

参考文献

附录Ⅰ 攻读学位期间发表学术论文目录

附录Ⅱ 攻读学位期间申请发明专利目录