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域有著廣泛的應用，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，由于具有導熱性系數(shù)低、高溫化學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構設計特點，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量與不斷增長的加工需求已構成矛盾，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，以加工效率最大和刀具消耗最小為優(yōu)化目標，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。準確地預測切削力對于優(yōu)選切削用量、刀具結構參數(shù)以及提高

3、加工精度具有積極的指導意義。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的三維銑削力學模型。與以往求解銑削力系數(shù)方法不同，本課題提出了應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)驗預測模型。經(jīng)驗證，

4、所建立的銑削力學模型具有很高的預測精度。從控制銑削力角度，銑削參數(shù)應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、大應變和高應變率特點。刀具的最高溫度產(chǎn)生于前刀面主切削刃附近，由于具有良好的導熱性，最高溫度低于切屑的最高溫度。當銑削速度增大，刀刃與切屑根部接觸區(qū)域溫度上升，并且高溫熱源區(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，相應地對表面完整性也有嚴格的要求。深入研究銑削加工對鈦合金表面完整性的影響，實現(xiàn)表面質量預報和控制，可為鈦合金零部件設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模型，揭示了加工硬化與微觀組織、流動應力的聯(lián)系。利用銑削試驗和X射線衍射應力測量方法，研究了銑削參數(shù)對已加工表面殘余應力的影響。每齒進給對殘余應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，認為殘余應力與機械應力、熱應力產(chǎn)生的塑性變形有

9、關。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，另一方面是刀具后刀面對工件表面的“擠光效應”。前者使已加工表面產(chǎn)生殘余拉應力，后者則產(chǎn)生殘余壓應力。切削熱使工件表層材料產(chǎn)生塑性凸出，從而產(chǎn)生殘余拉應力。從X射線應力測量結果看，已加工表面殘余應力表現(xiàn)為壓應力性質。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。因而可以認為，擠光作用是表面壓應

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果，主要表現(xiàn)為粘結磨損、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，當粘結層厚度達到一定程度，粘結層出現(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，從而導致擴散磨損。根據(jù)磨損試驗結果，建立了刀具壽命經(jīng)驗預報模型，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的銑削參數(shù)優(yōu)化模型。對于多目標優(yōu)化問題，由于目標的沖突性，在改善其中一個目標的同時，往往會削弱其他目標。因此，多目標優(yōu)化問題要找的并不是所有子目標的最優(yōu)解，而是Pareto解。經(jīng)典的多目標問題求解方法一般是通過歸一化處理將多目標問題轉化為單目標問題。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算法的基礎上進行改進，將非支配概念拓展到約束空間，使得多目標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)驗模型，代入銑削參數(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)化目標的側重靈活選擇相應的銑削參數(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