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《南京航空航天大学》 2016年
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Ti6Al4V钛合金切削加工表面残余应力的研究

孟龙晖  
【摘要】:Ti6Al4V钛合金由于其比强度高、耐高温、耐腐蚀等诸多方面的优点,在航空航天领域有着较为广泛的运用。Ti6Al4V钛合金属于典型的难加工材料,加工效率较低,其表面由于切削加工所形成的残余应力层会严重影响到零件的静力强度、疲劳强度以及抗腐蚀等诸多与残余应力相关的性能,进而影响到零件的使用寿命,不仅如此,零件几何尺寸的稳定性同样也会受到残余应力的影响。因此,深入研究和控制切削加工表面残余应力对提高被加工零件的质量和使用寿命显得至关重要。本文从理论推导、实际实验以及物理仿真等几个方面,对Ti6Al4V钛合金切削加工表面残余应力进行了较为深入的研究。主要研究工作包括:(1)Ti6Al4V薄壁回转体零件切削加工表面残余应力的分析。提出基于应变变化的内壁表面残余应力测量方法和基于FEM修正的外壁表面切削残余应力测量方法,并基于该方法分别测量了切削加工内壁和外壁表面残余应力的分布,在此基础上通过实际实验分析了各切削参数对于表面残余应力分布的影响。通过真空退火处理,分析了相应的热处理对表面残余应力的影响。(2)Ti6Al4V薄壁零件铣削加工表面残余应力的分析。提出了基于零件挠度变化和应变变化的表面残余应力在未达到平衡状态下的分布的测量方法。有限元分析表明,零件的表面残余应力在达到平衡状态前后其分布差别较大,而最终其平衡后的应力分布情况会受到零件刚度的影响。为去除零件刚度的影响以正确评估相应的表面残余应力的分布情况,文章基于腐蚀剥层和反推法测量了相应的残余应力在平衡状态前的分布。(3)基于等效残余应力测量的零件变形的预测。表面残余应力具体分布的测量步骤较为繁琐,工作量较大,以变形预测为最终目的,提出了基于应变变化的等效残余应力及其作用层深度的测量方法。相应的实验表明,该方法在大幅度减少测量步骤和工作量的同时,对不同刚度的零件的变形预测有较高的精度。(4)切削加工Ti6Al4V钛合金表面残余应力物理仿真的研究。基于二维正交切削模型研究了切削参数和刀具几何参数对于表面残余应力的影响,由于二维正交模型本身的局限性,以正交压痕模型替代相应的三维仿真模型研究了每转进给量和刀尖圆弧半径对于表面残余应力的影响,最终结果表明,正交切削模型结合正交压痕模型的仿真结果能够较好地预测三维切削加工所引起的表面残余应力并分析各切削参数的影响。(5)Ti6Al4V钛合金蠕变性质的研究。采用纳米压痕法测量了Ti6Al4V钛合金室温下的蠕变应力指数。研究发现,通过给压头施加不同的加载速率使其达到相同的最大载荷时得到的压痕位移—载荷曲线基本是重合的,说明最终的压痕位移主要取决于最大载荷。通过对压头施加不同的加载速率加载到不同的最大载荷,最终结果发现不同的实验过程求得的应力指数基本一致,说明加载速率对实验结果并没有明显的影响。通过保载后期压痕位移的变化率和材料硬度之间的关系,最终得到了Ti6Al4V钛合金室温下的蠕变应力指数。另外,以被铣削加工件为研究对象,测量了相应的表面残余应力在不同温度下引起的零件的蠕变变形随时间的变化关系,为进一步评估不同温度下表面残余应力所引起的零件蠕变变形提供了相应的依据。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TG506

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