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铝合金弹性熨压加工表面组织性能及工艺可靠性研究

刘剑英  
【摘要】:研究统计表明疲劳失效和腐蚀失效是飞机等大型结构件失效的主要模式,是制约其安全运行及延寿的关键问题,因此提高相关关键结构件的抗疲劳和抗腐蚀性能十分必要。而研究发现与这些性能密切相关的是关键结构件的表面性能,这些表面性能优劣程度是决定飞机等大型结构安全和延寿的主要因素之一,因此需要优化和提高这些关键构件的表面性能。传统的表面成型方法,如磨削加工等精密加工方法生产效率低、生产成本高,而且会在工件表面留下刀痕,并不能得到理想的表面粗糙度,因而影响了工件表面质量和表面性能。熨压工艺作为一种高效低成本、实用性强的表面处理工艺,能够很好地解决以上问题,并达到改善航空关键构件表面质量、提高表面性能、降低成本的目的。熨压加工通过硬质压头施加作用力,使金属表面产生连续的塑性变形,并将试样表面的凹凸不平形貌熨压平整,是一种无屑的加工方法。为了更好的应用这项表面处理技术,提高航空等关键结构件表面质量,优化工艺参数,深入了解熨压加工表面性能以及组织形成特征和机理很有必要。本文的研究对于理解弹性熨压过程表面性能和形成机理,掌握变化规律,以及更好的优化工艺参数具有重要的理论和实际意义。 本文主要采用自行研制的弹性精密熨压装置进行弹性精密熨压加工的实验和机理研究。论文综述了熨压加工过程的原理、应用背景和国内外的研究现状;对弹性精密熨压加工技术的主要领域进行了深入的研究;设计并研制了参数可控的弹性精密熨压加工装置,并通过该装置对铝合金试样进行了变参数弹性精密熨压加工。研究了弹性熨压表面粗糙度,残余应力,微观组织以及显微硬度和纳米硬度等表面性能的变化规律和形成机理。 本文研究了弹性精密熨压表面粗糙度和残余应力等表面性能与熨压力之间的关系模型,并讨论了粗糙度和残余应力在熨压过程中的形成机理。研究发现弹性名义熨压深度,机床转速的增加均会导致表面粗糙度降低,而熨压进给量的增加会导致表面粗糙度的升高。弹性熨压参数如弹簧刚度和预紧力等也会影响表面粗糙度。综合来看这些熨压参数的影响均可归结为弹性熨压力变化对表面粗糙度的影响,而研究结果证明熨压力与表面粗糙度一般呈反向线性变化,即呈反线性关系。同时,研究还发现弹性名义熨压深度,熨压进给量等参数以及各种弹性熨压参数同样会对熨压表面残余应力产生重要影响,这些参数的影响也可以归结为压头与表面相互作用时熨压力的差别。基于这些实验结果,文章构建了熨压过程的熨压力的模型,并分析了熨压力与残余应力之间的关系,以及各参数变化对熨压力以及残余应力的影响。研究发现,当弹性名义熨压深度达到临界值,即熨压压头与材料表面接触面积基本恒定时,熨压力随熨压深度的增长将进入缓慢的平台区。而此临界弹性名义熨压深度时熨压表面残余应力以及表面粗糙度均达到了最优。最后残余应力的计算模型中也表明,熨压力的增加有助于提高表面残余应力,但同时还与弹性名义熨压深度等参数相关。 文章还针对弹性熨压表面及亚表面微观组织特点进行了细致深入的研究,发现了弹性熨压表面能够形成尺寸在50nm左右纳米级晶粒,并且还通过二维XRD面扫描技术分析发现熨压表面在具有纳米晶的同时存在微观织构。并且本文初步探讨了熨压表面两者的共同形成机理。 本文同时应用了显微硬度和纳米硬度对弹性精密熨压表面性能进行了表征,结果显示虽然弹性熨压表面两种硬度均较未熨压表面提高,并受到名义熨压深度,熨压进给量等常规熨压参数以及弹簧刚度,预紧力等弹性熨压参数的控制和影响,然而纳米硬度方法能够更好的反映熨压表面微小变形层内的性能特点,以及熨压表面性能随熨压参数的变化规律,因此更适用于对弹性熨压表面的性能表征。 最后本文还创新性的对弹性熨压工艺建立了可靠性分析模型,从而可以对弹性熨压工艺以及熨压表面质量的可靠性进行定量的分析。基于实际熨压实验数据,本文对比分析了弹性和非弹性熨压加工可靠性。分析结果说明弹性熨压表面具有更好的可靠性,该可靠性模型可以用来优化熨压工艺参数。 综上所述,本论文的研究在对弹性精密熨压表面性能的参数控制,特征规律,表征方法,影响机理,可靠性评估等方面进行了深入探讨,进一步完善了弹性熨压加工理论,并为寻找优化弹性精密熨压加工参数,提高表面性能的方法奠定了基础。


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