鈦合金高速銑削加工機理及銑削參數(shù)優(yōu)化研究.pdf

1、鈦合金在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，被譽為是一種使人類走向太空時代的戰(zhàn)略性金屬材料。然而，由于具有導(dǎo)熱性系數(shù)低、高溫化學(xué)活性高和彈性模量小特點，鈦合金又是一種典型的難加工材料。在切削過程中，容易產(chǎn)生較高的切削溫度，使刀具磨損加快，表面質(zhì)量難以控制，實際切削速度難以提高。同時，由于航空鈦合金零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計特點，大量的材料需要從整塊坯料中去除，使得切削成本較高。因此，低效的加工能力和加工質(zhì)量與不斷增長的加工需求已構(gòu)成矛盾，成為制約航空航天

2、制造業(yè)發(fā)展的瓶頸之一。針對航空鈦合金Ti6A14V的銑削加工，本課題從銑削力、銑削溫度、表面完整性以及刀具壽命方面對高速銑削機理進行了系統(tǒng)研究，為建立鈦合金高效加工工藝規(guī)范提供理論依據(jù)。以此為基礎(chǔ)，以加工效率最大和刀具消耗最小為優(yōu)化目標(biāo)，對銑削參數(shù)進行優(yōu)化，為實際加工提供工藝支持。 切削力是研究切削過程的重要物理量之一，其大小和變化對工件表面完整性、刀具磨損和壽命等具有影響。準(zhǔn)確地預(yù)測切削力對于優(yōu)選切削用量、刀具結(jié)構(gòu)參數(shù)以及提高

3、加工精度具有積極的指導(dǎo)意義。針對圓柱螺旋銑刀，將切削刃沿軸向切削深度離散為一系列微元，而微元銑削力大小可表示為剪切力和犁耕力的和，然后將微元沿刀具軸向切削深度進行積分，從而建立了考慮刃口犁耕效應(yīng)的三維銑削力學(xué)模型。與以往求解銑削力系數(shù)方法不同，本課題提出了應(yīng)用瞬時銑削力識別銑削力系數(shù)的方法，具有更快速、更經(jīng)濟特點?？紤]銑削力系數(shù)隨被加工材料力學(xué)性能變化特點，通過試驗和回歸分析方法，建立了適合高速銑削范圍的銑削力系數(shù)經(jīng)驗預(yù)測模型。經(jīng)驗證，

4、所建立的銑削力學(xué)模型具有很高的預(yù)測精度。從控制銑削力角度，銑削參數(shù)應(yīng)選擇適中的銑削速度、較大的銑削徑向深度、較小的進給速度和軸向銑削深度。 對切削熱控制的好壞一定程度上決定了鈦合金零部件的生產(chǎn)效率。因此，有必要研究切削過程中熱量的產(chǎn)生和傳遞的規(guī)律，了解刀具和工件中溫度的分布狀態(tài)，從而優(yōu)化工藝措施，提高刀具壽命，進一步提高加工效率和加工質(zhì)量。利用紅外輻射測溫方法，研究了銑削參數(shù)對銑削溫度的影響。通過試驗發(fā)現(xiàn)，隨著銑削速度和每齒進給

5、量增加，銑削溫度呈增加趨勢。以溫度測量試驗為參照，利用有限元方法，建立三維銑削仿真模型，對工件變形區(qū)和刀具的溫度場進行了分析。工件上最高溫度始終產(chǎn)生在切屑與切削刃接觸的根部區(qū)域，該區(qū)域具有高溫、大應(yīng)變和高應(yīng)變率特點。刀具的最高溫度產(chǎn)生于前刀面主切削刃附近，由于具有良好的導(dǎo)熱性，最高溫度低于切屑的最高溫度。當(dāng)銑削速度增大，刀刃與切屑根部接觸區(qū)域溫度上升，并且高溫?zé)嵩磪^(qū)域沿軸向銑削深度擴大，同時靜水壓力也增大。 航空鈦合金零部件因其

6、特殊的工作環(huán)境，可靠性要求較高，相應(yīng)地對表面完整性也有嚴(yán)格的要求。深入研究銑削加工對鈦合金表面完整性的影響，實現(xiàn)表面質(zhì)量預(yù)報和控制，可為鈦合金零部件設(shè)計以及加工工藝選擇提供參考依據(jù)。根據(jù)銑削試驗發(fā)現(xiàn)，使用涂層刀片和MQL能夠獲得較好的表面粗糙度。在采用較高速度銑削鈦合金時，配合低進給、較低的軸向銑削深度以及適中的徑向銑削深度，可以獲得較好的表面粗糙度。綜合工件與刀具相對運動的幾何特征和工件材料彈塑性變形特點，建立了鈦合金銑削加工表面粗糙

7、度的理論模型，揭示了表面粗糙度的形成機理。通過對已加工表層微觀組織進行SEM觀察，發(fā)現(xiàn)低速和小進給情況下表層晶粒扭曲變形的程度和深度比較顯著，而高速銑削減輕了表層晶粒扭曲的程度，并且減小了變質(zhì)層的厚度，有利于提高零件表面完整性。通過顯微硬度測量，研究了銑削速度和每齒進給對加工硬化的影響。加工硬化程度隨銑削速度增加而降低，然而當(dāng)銑削速度超過一定界限，加工硬化程度將會增加。隨著每齒進給增加，加工硬化程度降低。無論高速銑削與低速銑削，硬度沿距

8、離表面深度變化的趨勢基本一致，都經(jīng)歷了表面強化-熱軟化-再度強化-趨于穩(wěn)定的過程。高速銑削條件下軟化層具有較低的硬度值，軟化層深度略小于低速情況。根據(jù)位錯理論，建立了加工硬化動力學(xué)模型，揭示了加工硬化與微觀組織、流動應(yīng)力的聯(lián)系。利用銑削試驗和X射線衍射應(yīng)力測量方法，研究了銑削參數(shù)對已加工表面殘余應(yīng)力的影響。每齒進給對殘余應(yīng)力大小影響最為顯著，而徑向銑削深度影響最小。通過銑削力和銑削溫度分析，認(rèn)為殘余應(yīng)力與機械應(yīng)力、熱應(yīng)力產(chǎn)生的塑性變形有

9、關(guān)。切削力使工件表面層產(chǎn)生不均勻塑性變形，具體來自于兩個方面，一方面是刀具接觸點前方區(qū)域的“塑性凸出”效應(yīng)，另一方面是刀具后刀面對工件表面的“擠光效應(yīng)”。前者使已加工表面產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，后者則產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力。切削熱使工件表層材料產(chǎn)生塑性凸出，從而產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。從X射線應(yīng)力測量結(jié)果看，已加工表面殘余應(yīng)力表現(xiàn)為壓應(yīng)力性質(zhì)。由于鈦合金彈性模量小，已加工表面容易出現(xiàn)較大回彈，從而與刀刃后刀面產(chǎn)生強烈的擠光作用。因而可以認(rèn)為，擠光作用是表面壓應(yīng)

10、力的形成原因。 鈦合金切削加工容易引起刀具過早磨損，嚴(yán)重影響著加工效率和成本。通過磨損試驗、SEM觀察和能譜分析手段，對鈦合金銑削加工刀具的磨損形式和磨損機理進行了分析。鈦合金銑削加工刀具磨損和失效是在多種機制下共同作用的結(jié)果，主要表現(xiàn)為粘結(jié)磨損、氧化磨損、磨粒磨損、擴散磨損以及裂紋等形式。在高溫高壓下，鈦合金工件表面材料和刀具后刀面容易產(chǎn)生粘結(jié)，當(dāng)粘結(jié)層厚度達到一定程度，粘結(jié)層出現(xiàn)開裂和脫落現(xiàn)象，從而磨損產(chǎn)生。通過能譜分析，在

11、干切削條件下，刀具材料以及粘結(jié)的鈦合金材料均發(fā)生了氧化，而氧化產(chǎn)物的硬度較高，為磨粒磨損提供硬質(zhì)點，并可能會使刀具發(fā)生塑性變形。在很高的切削溫度下，接觸表面發(fā)生大的塑性變形，不斷產(chǎn)生的新生表面，促進了刀具材料與被加工材料之間的固體溶解，從而導(dǎo)致擴散磨損。根據(jù)磨損試驗結(jié)果，建立了刀具壽命經(jīng)驗預(yù)報模型，發(fā)現(xiàn)銑削速度、每齒進給以及軸向銑削深度對刀具壽命具有顯著性影響，而徑向銑削深度影響較弱。 針對鈦合金銑削加工存在的高成本、低效率問題

12、，建立了以最大生產(chǎn)效率和最小刀具壽命消耗為目標(biāo)的銑削參數(shù)優(yōu)化模型。對于多目標(biāo)優(yōu)化問題，由于目標(biāo)的沖突性，在改善其中一個目標(biāo)的同時，往往會削弱其他目標(biāo)。因此，多目標(biāo)優(yōu)化問題要找的并不是所有子目標(biāo)的最優(yōu)解，而是Pareto解。經(jīng)典的多目標(biāo)問題求解方法一般是通過歸一化處理將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題。經(jīng)典方法的不足主要表現(xiàn)為兩個方面，一是很難建立合適的歸一化準(zhǔn)則，再就是每次只能得到一個Pareto解。進化算法具有很強的并行搜索能力，可以一次得

13、到多個Pareo解，為決策者提供多樣化的選擇。本課題在NSGA-Ⅱ算法的基礎(chǔ)上進行改進，將非支配概念拓展到約束空間，使得多目標(biāo)多約束問題的處理更具有魯棒性和有效性。根據(jù)鈦合金銑削試驗獲得的數(shù)據(jù)，建立銑削力、粗糙度以及刀具壽命經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，代入銑削參?shù)優(yōu)化模型，對銑削參數(shù)進行優(yōu)化，得到了Pareto前沿。工藝人員可根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)的側(cè)重靈活選擇相應(yīng)的銑削參數(shù)，比用傳統(tǒng)方法優(yōu)化鈦合金切削參數(shù)更經(jīng)濟和方便。將該優(yōu)化方法程序化，嵌入到工藝數(shù)據(jù)庫，可為實