高速切削航空鋁合金變形理論及加工表面形成特征研究.pdf

1、高速切削加工技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的一項(xiàng)全新的共性實(shí)用技術(shù)，已成為現(xiàn)代切削加工技術(shù)的重要發(fā)展方向，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。高速切削技術(shù)具有的高的生產(chǎn)效率、加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，已成為先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，自20世紀(jì)90年代進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用后，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。航空制造業(yè)是高速切削加工的應(yīng)用最早，最為廣泛的行業(yè)，其中主承力結(jié)構(gòu)件多數(shù)為整體坯料“掏空”的整體結(jié)構(gòu)件，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的拼接結(jié)構(gòu)。因此高速切削技術(shù)在對材料去除率大、加

2、工質(zhì)量要求高、加工周期長的整體結(jié)構(gòu)件加工中更能體現(xiàn)其獨(dú)特的優(yōu)勢。但我國高速切削技術(shù)的研究起步較晚，對高速切削基礎(chǔ)工藝?yán)碚摷扒邢鳈C(jī)理深入研究還不足，在理論研究和實(shí)際生產(chǎn)推廣應(yīng)用中存在許多問題，不能充分發(fā)揮高速切削的優(yōu)越性。 高速切削加工過程是導(dǎo)致工件表面層產(chǎn)生高應(yīng)變速率的高速切削變形和刀具與工件之間的高速切削摩擦學(xué)行為形成的為熱、力耦合不均勻強(qiáng)應(yīng)力場的制造工藝。與傳統(tǒng)的切削加工相比，加工中工件材料的力學(xué)性能、切屑形成、切削力學(xué)、切

3、削溫度和已加工表面形成等都有其不同的特征和規(guī)律。論文針對高速銑削航空鋁合金7050-T7451加工變形理論和表面特征形成進(jìn)行了系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究，為航空制造業(yè)高速切削加工的推廣和應(yīng)用提供重要的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。 建立準(zhǔn)確的高速切削加工工件材料動態(tài)力學(xué)性能是研究切削變形理論和切削過程模擬仿真的重要基礎(chǔ)，然而僅依賴單純的材料實(shí)驗(yàn)很難獲得其符合切削加工過程的動態(tài)力學(xué)性能。根據(jù)常規(guī)動態(tài)壓縮(SHPB)材料實(shí)驗(yàn)研究應(yīng)變、應(yīng)變率、溫度對

4、流動應(yīng)力的影響趨勢，證明經(jīng)驗(yàn)Johnson-Cook本構(gòu)模型對鋁合金7050-T7451力學(xué)性能具有較好的適應(yīng)性。針對高速切削加工“高溫”、“高應(yīng)變”、“高應(yīng)變率”的特點(diǎn)，提出正交切削實(shí)驗(yàn)法對鋁合金7050-T7451高速切削加工中的變形行為、剪切流動應(yīng)力、應(yīng)變、應(yīng)變率等特性及相互影響規(guī)律進(jìn)行研究；對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行回歸計(jì)算，建立高速切削加工鋁合金7050-T7451的本構(gòu)方程。以主切削力為目標(biāo)，實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果驗(yàn)證了正交切削實(shí)驗(yàn)法建立高速切

5、削加工材料本構(gòu)方程的可行性和可靠性。 研究了高速銑削鋁合金7050-T7451時的切屑形成機(jī)理、切削變形關(guān)系、切削力學(xué)、摩擦系數(shù)等切削基礎(chǔ)理論，主要包括：1)利用位錯理論研究了切屑形成微觀機(jī)理，從微觀角度對變形區(qū)進(jìn)行了更精確的重新劃分，增加了刃前變形區(qū)和位錯壓縮變形區(qū)；2)建立不同刀具銑削加工的銑削力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停芯壳邢鲄?shù)對銑削力的影響，結(jié)果證明900m/min為7050-T7451進(jìn)入高速切削的臨界速度：3)利用正交直角車削實(shí)

6、驗(yàn)獲得切削分力計(jì)算得到前刀面的平均摩擦系數(shù)，研究切削速度對摩擦系數(shù)和摩擦角的影響趨勢。最后，基于快速落刀實(shí)驗(yàn)和有限元仿真結(jié)果對高速切削剪切角模型的進(jìn)行修正，綜合考慮工件材料和切削速度對剪切角的影響，建立適用于鋁合金7050-T7451的高速切削加工的切削方程式。建立了高速銑削加工過程的三維幾何模型，基于有限變形理論的熱力耦合理論方程和模擬中的關(guān)鍵技術(shù)，對鋁合金7070-T7451的三維斜角切削加工進(jìn)行模擬仿真。對切削過程中切屑形成過程和

7、應(yīng)力場、應(yīng)變場、溫度場等物理量分析和研究，證明了高速切削加工中在工件表面形成的不均勻、高強(qiáng)度的熱-力耦合應(yīng)力場。利用切削力實(shí)驗(yàn)，與模擬切削過程中初始階段和穩(wěn)態(tài)過程中的切削力變化規(guī)律進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了三維斜切削加工有限元模型的準(zhǔn)確性，為課題后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究和理論分析提供量化的依據(jù)。 高速銑削航空鋁合金時，已加工表面形成的宏觀和微觀特征與普通銑削有較大不同。以高速銑削實(shí)驗(yàn)為依據(jù)，建立高速銑削鋁合金7050-T7451的加工表面表面粗糙度

8、模型，研究切削參數(shù)對表面粗糙度的影響；基于加工表面硬化形成機(jī)理，結(jié)合表面顯微硬度實(shí)驗(yàn)，研究材料的硬化程度與硬化層深度，建立鋁合金7050-T7451表面硬化程度與硬化層深度的模型；分析了殘余應(yīng)力的產(chǎn)生機(jī)理和熱-力耦合對工件表層殘余應(yīng)力的影響；通過摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，研究不同切削參數(shù)得到的加工表面的摩擦與磨損特性，證明了高速切削加工不僅可以獲得優(yōu)于低速加工表面質(zhì)量，零件的耐磨性等性能也有顯著提高。 利用顯微觀察方法(SEM、TEM)對鋁

9、合金7050-T7451高速銑削加工的工件表面斷面和不同深度的表層的微觀形貌特征進(jìn)行系統(tǒng)的研究，確定了高速切削加工鋁合金7050-T7451的表面變質(zhì)層深度為30～35μm；應(yīng)用位錯能量研究了高速銑削加工過程的熱力耦合對變質(zhì)層的影響機(jī)理，并通過微觀形貌觀察證明：與普通切削相比，高速銑削表層塑性變形的能量和位錯密度更高；建立了位錯密度的加工硬化的動力學(xué)模型，研究了加工硬化的熱．力耦合形成機(jī)理；對微觀裂紋的形成機(jī)理進(jìn)行了理論分析，證明位錯密