不同组织结构钛合金切削性能的实验研究

摘要

钛合金具有比强度高、耐热性和耐蚀性好等优良性能，在各工业领域特别是航空航天领域得到越来越广泛的应用。同时，钛合金的热导率低、弹性模量小、化学活性高，易导致刀具的严重磨损，是一种典型的难加工材料。钛合金中不同的α、β相添加元素或者这些添加元素的量不同，以及不同的工艺都将导致钛合金组织结构上的差异。随着工业的发展，新型的高性能的钛合金不断被开发出来，与此同时，如何提高加工性能，提高加工效率，降低加工成本也成为一个难题。本文主要有两个部分：第一部分，从切削力、表面粗糙度、残余应力、刀具磨损、切屑形态等方面，研究不同组织结构的α+β型钛合金——TC4、TC6和TC11棒材的车削加工性能。1.车削三种钛合金TC4、TC6和TC11时的切削力的实验研究采用中心组合设计法设计实验方案，利用响应曲面法给出了切削力的预测公式，结合方差分析研究了加工参数对切削力的影响。分析了相同参数下，车削不同材料时切削力的对比。给出了考虑加工效率时，各种材料车削加工的优化参数。同时对车削加工的切削力进行解析建模，提取车削力系数和流屑角，计算出切削力系数与流屑角的拟合公式。2.车削钛合金TC11时表面粗糙度的实验研究采用中心组合设计法设计实验方案，利用响应曲面法给出了切削力的预测公式，结合方差分析研究加工参数对表面粗糙度的影响。3.车削钛合金TC6和TC11时残余应力的实验研究选取部分参数进行钛合金TC6和TC11的残余应力检测，对比残余应力的大小，观察残余应力的变化趋势。4.车削三种钛合金TC4、TC6和TC11时的切屑变形分析的研究选取部分参数，对车削三种钛合金TC4、TC6和TC11时的锯齿形切屑进行分析，考察加工参数的影响，以及三种材料的区别。5.车削钛合金TC6和TC11时刀具磨损的实验研究固定加工参数，进行刀具磨损实验。通过拍摄显微照片，研究刀具的磨损形式以及对比车削两种材料时，刀具磨损的区别。第二部分，从切削力、表面粗糙度和刀具磨损等方面，研究三种不同组织结构，α相、β相比例差异更大的钛合金——TC17、TC18和TA19块料的面铣加工性能。1.铣削三种钛合金TC17、TC18和TA19时的切削力的实验研究考察加工参数对铣削力的影响趋势，对比面铣三种材料时的切削力。2.铣削钛合金TC18和TA19时的表面粗糙度的实验研究考察加工参数对表面粗糙度的影响趋势，对比面铣两种材料时的表面粗糙度。3.铣削三种钛合金TC17、TC18和TA19时的刀具磨损的实验研究研究硬质合金刀具铣削钛合金的刀具磨损机理与失效形式。固定加工参数进行刀具磨损实验，采用高倍显微镜观察刀具刃口形貌和前、后刀面的磨损形态，采用X射线能谱仪和扫描电镜(SEM)分析刀具的磨损形态和表面材料成分，研究被加工表面损坏机理。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 钛合金的基本性质

1.3 钛合金的加工变形特点

1.4 钛合金切削加工的研究现状

1.4.1 概述

1.4.2 切削刀具材料及其磨损原因

1.4.3 钛合金切削液

1.4.4 钛合金的切屑形成

1.4.5 表面完整性

1.5 本文的主要研究内容

第二章 切削性能评价实验技术和实验设备

2.1 切削实验用机床

2.2 切削力采集系统

2.3 刀具几何参数测量

2.4 刀具磨损量、锯齿形切屑变形测量

2.5 表面残余应力检测

2.6 加工表面粗糙度测量

2.7 本章小结

第三章 三种α＋β型钛合金车削性能研究

3.1 前言

3.2 钛合金车削力建模及切削力系数计算

3.2.1 车削力建模

3.2.2 切削力系数的计算

3.3 车削实验

3.3.1 工件材料

3.3.2 实验用刀具

3.3.3 实验方案

3.4 实验结果及分析

3.4.1 切削力

3.4.2 加工表面粗糙度

3.4.3 加工表面残余应力

3.4.4 切屑变形分析

3.4.5 刀具磨损情况分析

3.5 本章小结

第四章 不同组织结构钛合金铣削性能研究

4.1 前言

4.2 端面铣削加工方式特点

4.3 铣削实验

4.4 实验结果及分析

4.4.1 切削力

4.4.2 表面粗糙度

4.4.3 钛合金铣削刀具磨损分析

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 全文总结

5.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文目录