不同冷却润滑条件Ti6Al4V高速加工机理研究

摘要

钛合金在航空航天领域有着广泛的应用，被誉为一种使人类走向空间时代的战略金属材料。然而，由于具有导热系数低、高温化学活性高和弹性模量小特点，钛合金又是一种典型的难加工材料。在切削过程中，容易产生很高的切削温度，导致刀具磨损加快、表面质量难以控制，而低的切削速度导致加工效率难以提高。同时，由于航空钛合金零部件的整体结构件设计特点，大量的材料需要从整块坯料中去除，造成较高的切削成本。因此，低下的加工能力和加工质量与不断增长的加工需求已构成矛盾，成为制约航空航天制造业发展的瓶颈之一。针对航空钛合金Ti6A14V的高速铣削加工，本课题从不同冷却润滑条件下硬质合金刀具的磨损机理出发，将温度和锯齿状切屑作为刀具磨损的重要影响因素，建立了锯齿-连续切屑转变图谱，为工艺参数的选择提供了理论基础；建立了Ti6A14V的本构、失效材料模型和摩擦传热模型，借助有限元方法预测了加工区域的温度分布，为切削温度的控制提供了理论基础。最后进行了不同冷却润滑条件下的刀具耐用度实验，以一定金属去除率下的刀具耐用度最大为优化目标，对铣削工艺参数进行了优化，为实际工程应用提供了工艺支持。
　　 钛合金切削加工容易引起刀具快速磨损，严重影响加工效率和加工成本。借助SEM观察和能谱分析等手段，对不同冷却润滑条件下钛合金铣削加工刀具的磨损机理进行了研究。钛合金铣削加工刀具磨损和失效是在多种机理下共同作用的结果，主要表现为粘结磨损、氧化磨损、磨粒磨损、扩散磨损、刀具材料剥落、刀具塑性变形等形式。其中Ti6A14V粘结物与刀具材料在高温高压下的扩散作用加剧了粘结磨损；Ti6A14V粘结物氧化得到的高硬度氧化物为磨粒磨损提供硬质点；刀具表面热裂纹和机械裂纹的扩展造成刀具表面的材料剥落；随着刀具刃口部位的磨损和刀具材料的氧化变质，刀具发生塑性变形。除此之外，钛合金加工中的锯齿状切屑导致切削力的高频波动，从而使刀具表面粘结层周期性开裂、剥落，刀具表面材料不断被粘结层带走；同时切削力的高频波动造成刀具刃口部位应力的高频波动，从而加速了刀具表面裂纹的扩展，造成刀具表面严重的贝壳状剥落。切削液的施加对刀具表面产生冲刷作用，使得粘结层周期性开裂剥落的频率增加，粘结磨损加剧；同时切削液的施加使得钛合金切屑的锯齿化程度增加，进一步加速了粘结层和刀具的疲劳。因此降低Ti6A14V加工用刀具磨损需要从三个方面着手：控制锯齿状切屑的产生；控制切削温度和选择合理的冷却润滑方法。
　　 钛合金加工锯齿状切屑的产生机理主要包括绝热剪切和周期性断裂，综合了上述两个机理，提出了基于裂纹动态变化的锯齿状切屑产生机理，认为锯齿状切屑的产生从工件表面的裂纹萌生开始，剪切区滑移加剧，造成温度升高和失效应变增大，最终裂纹不再扩展，锯齿状切屑最终形成，同时已形成锯齿状切屑下方一个新的锯齿状切屑开始形成。切屑的锯齿化程度受切削速度、进给量及冷却润滑方式等因素的影响，通过大量的实验研究发现，在实验速度范围内(20～120 m/min)，50～l00m/min速度范围内不容易产生锯齿状切屑，而过低和过高的切削速度都会导致切屑锯齿化程度的加剧。同时切削液条件下，切屑的锯齿化程度比干切削条件下明显增加。另外刀具前角对切屑的锯齿化程度也有较大影响，前角越小，切屑的锯齿化程度越大。建立了干湿两种切削条件下0°、5°、lO°三种刀具前角Ti6A14V连续-锯齿状切屑的转变图谱，为加工工艺参数的优选提供了理论基础。
　　 选择了两种冷却润滑方法用于Ti6A14V的加工中：切削液和最小微量润滑(MQL)，其中MQL利用冷风作为载体，冷风温度和出油量可调，相应的干切削实验作为对比研究。利用正交铣削实验和热交换实验，建立了不同冷却润滑条件下的摩擦模型和传热模型，并对MQL喷嘴的布置方式和出油量进行了优化。利用霍普金森压杆实验得到的Ti6A14V高应变率和高温条件下的应力-应变关系，建立了基于Power-Law方程的材料本构关系模型，分析了Ti6A14V应变强化、应变率强化和温度软化对流动应力的影响。利用扭转、拉伸、压缩等基本力学实验得到的材料失效应变，分析了Ti6A14V材料失效应变与应力三轴度和温度的关系，建立了考虑应力三轴度、温度、Rebinder效应的材料失效模型，并利用直角车削实验对模型的参数进行了求解。使用切削有限元仿真软件AdvantEdge，结合建立的材料模型、摩擦传热模型，建立正交切削有限元模型，仿真了Ti6A14V锯齿状切屑的形成过程，提取了切削温度、切削力与相应的正交车削实验进行了对比，验证了有限元模型的正确性。对铣削过程进行了合理的二维简化，并对铣刀片的刃口微观结构进行了建模。结合不同冷却润滑条件下的材料模型、摩擦模型和传热模型，对不同冷却润滑条件下的铣削过程进行了动态物理仿真。仿真切削力与实验结果进行了对比，进一步证明了有限元仿真的准确性。对不同冷却润滑条件下的切屑形貌、切削力、刀具最高温度变化、刀具热应力进行了分析，发现MQL方式下和切削液方式下刀具表面最高温度的降低程度相仿，但是切削液条件下切屑的锯齿化程度明显增加，切削力波动变大；同时刀具在空行程中被快速冷却，刀具的温度梯度大，热应力高，对刀具寿命会有负面影响，因此MQL方式是切削液方式的有效替代。
　　 选择合理的铣削加工工艺参数，对干切削和MQL切削两种不同冷却润滑方式下的刀具磨损过程进行分析，以ISO通用的磨钝标准为基础得到不同工艺参数、不同冷却润滑条件下刀具的耐用度。使用指数和二次项两种刀具耐用度模型分别分析加工工艺参数对刀具耐用度的影响，并建立刀具耐用度的预测模型。针对钛合金铣削加工存在的高成本、低效率问题，以一定金属去除率下刀具耐用度最大为优化目标，提出一种优化方法，得到了不同金属去除率下的最优铣削加工工艺参数，为企业工艺技术人员制定工艺方案提供决策支持。研究了刀具磨损对加工表面粗糙度的影响，发现在开始阶段刀具磨损对表面粗糙度的影响不大，但当刀具磨损量达到一定值时，已加工表面的粗糙度值急剧增加，加工表面质量迅速恶化。研究了刀具磨损对切屑形貌的影响，发现切屑锯齿化程度随刀具磨损行程增加而加剧，随刀具磨损行程增加，切屑变形增加，出现扭曲甚至破碎现象。研究了刀具磨损对切削力的影响，发现随着刀具磨损，刀具的实际前角变小，进给方向的切削力持续增大，而垂直于进给方向切削力的方向发生变化，轴向切削力变化不大。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

引言

1.1课题背景意义

1.2钛合金性能、应用及加工现状

1.2.1钛合金性能特点

1.2.2钛合金在航空航天领域的应用

1.2.3钛合金切削加工现状

1.3钛合金切削加工相关理论与方法研究

1.3.1钛合金加工刀具磨损机理研究

1.3.2钛合金锯齿状切屑形成机理研究

1.3.3切削加工物理仿真研究

1.4课题提出及研究内容

1.4.1课题提出

1.4.2研究内容

1.4.3博士论文整体框架

第二章硬质合金刀具磨损机理研究

引言

2.1实验设计

2.1.1实验目的

2.1.2实验参数

2.1.3刀具选择

2.2干切削实验结果及分析

2.2.1顺铣和逆铣对刀具磨损的影响分析

2.2.2粘结作用及其产生机理分析

2.2.3氧化作用及其产生机理分析

2.2.4刀具的表层剥落

2.2.5干铣削Ti6AI4V加工过程刀具磨损总结

2.3干湿切削、涂层未涂层刀具磨损对比

2.3.1干湿切削、涂层未涂层刀具寿命研究

2.3.2切削液环境下Ti6AI4V加工刀具失效机理

2.4本章小结

第三章摩擦传热模型的建立

引言

3.1不同冷却润滑条件及参数

3.2刀屑摩擦系数模型

3.3.1铣削力坐标转换

3.3.2铣削实验

3.3.3摩擦模型参数的确定

3.3.4油雾喷嘴的布置方式对平均摩擦系数的影响

3.3.5油雾喷嘴出油量对平均摩擦系数的影响

3.3.6速度和冷却润滑方法对摩擦系数的影响

3.4不同冷却润滑条件下的对流辐射模型

3.4.1热对流实验设计

3.4.2热对流系数预估

3.4.3热对流系数修正

3.5本章小结

第四章钛合金加工切屑形貌及转变图谱

引言

4.1钛合金锯齿状切屑特征

4.2钛合金加工锯齿状切屑的产生机理

4.2.1 Rebinder效应对锯齿状切屑产生的影响

4.2.2基于裂纹动态变化的锯齿状切屑产生机理

4.3钛合金切屑形态转变

4.3.1实验设计

4.3.2钛合金切屑的连续-锯齿转变

4.3.3钛合金连续-锯齿状切屑转变图谱

4.3.4钛合金连续-锯齿状切屑转变图谱的应用

4.4本章小结

第五章钛合金本构、失效模型的建立及其验证

引言

5.1 Ti6AI4V材料的成分及物理力学性能

5.2 Ti6AI4V的分离式霍普金森压杆实验

5.2.1实验装置及测试原理

5.2.2实验方案及结果

5.3 Ti6AI4V材料本构模型的建立

5.4 Ti6AI4V材料失效模型的建立

5.4.1材料失效机理及其模型的建立

5.4.2失效模型系数的确定

5.4.3材料失效模型Km和Kr值的确定

5.5车削过程的有限元仿真

5.5.1 CAE模型

5.5.2材料失效应变在有限元程序中的应用

5.5.3仿真过程物理量变化

5.5.4干切削条件下切屑连续-锯齿转变的仿真结果

5.5.5湿切削条件下切屑连续-锯齿转变的仿真结果

5.6有限元模型的实验验证

5.7仿真结果的数据提取及实验对比分析

5.8本章小结

第六章钛合金铣削的物理过程仿真

引言

6.1铣削工艺过程的二维简化

6.2铣削用刀片的建模及其位移边界条件的确定

6.3工件的建模及其位移边界条件的确定

6.4摩擦、热对流边界条件的施加

6.5仿真切削力的转化

6.6加工工艺参数的选择

6.7仿真结果分析及其与实验的对比分析

6.8不同冷却润滑条件下切削过程物理量的变化

6.9本章小结

第七章硬质合金刀具耐用度研究及工艺参数优化

引言

7.1刀具耐用度研究的实验设计

7.1.1钛合金加工刀具磨钝标准的确定

7.1.2实验设备

7.1.3加工工艺参数选择

7.2刀具后刀面磨损过程分析

7.3MOL条件磨损刀具的SEM分析

7.4刀具耐用度预测及加工工艺参数的影响分析

7.5不同去除率下加工工艺参数的优化

7.6刀具磨损对切削形貌、切削力和表面粗糙度的影响

7.6.1刀具磨损对加工表面粗糙度的影响

7.6.2刀具磨损对切屑形貌的影响

7.6.3切削力随刀具磨损行程的变化

7.7本章小结

第八章总结与展望

8.1工作总结

8.2创新点

8.3研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表论文及参与课题

发表论文1

发表论文2