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钛合金TC17力学性能及其切削加工特性研究

王宝林  
【摘要】:钛合金材料具有优异的力学性能、低密度以及良好的耐蚀性,是航空航天工业最主要的消费材料。然而,由于具有导热系数低、高温化学活性高和弹性模量小特点,钛合金又是一种典型的难加工材料。在切削加工过程中,容易产生很高的切削温度,导致刀具磨损加快、表面质量难以控制,而低的切削速度导致加工效率难以提高。同时,由于航空钛合金零部件的整体结构件设计特点,大量的材料需要从整块坯料中去除,造成切削成本较高。因此,实现钛合金材料的高效、高速加工成为航空航天制造业亟需解决的问题。本文针对航空钛合金TC17,基于其动态力学性能特征研究,结合切削实验,对钛合金TC17的切屑形貌特征、切削力、切削温度、刀具寿命及磨损机理和表面粗糙度等切削加工特性问题及其影响规律进行系统研究,为生产实际中高效、高速切削加工提供理论与技术支持。 材料在快速变化载荷作用下的动态响应,对于分析材料的切削机理具有很重要的作用。论文通过准静态压缩实验及分离式霍普金森压杆实验,获得应变率10-3/s~104/s,温度25℃~800℃范围内,钛合金TC17的塑性变形特征。实验表明在高温下TC17材料表现出明显的温度软化特征,随着温度的升高,流动应力减小。温度在700℃以上,准静态条件下钛合金TC17表现出明显的流变软化。通过高加载率下的冲击压缩实验表明,TC17材料的屈服强度和流动应力随着应变率增大而增大,TC17材料的动态响应是应变强化、应变率强化和温度软化三种效应的耦合作用。同时拟合回归得到TC17合金材料在比较宽的温度和应变率范围内的本构方程。 通过直角切削获得不同切削参数下的TC17材料的切屑形貌,基于热粘塑性材料本构失稳条件,建立材料流变参数Ψ与切削速度vc,进给量f间的关系,获得切屑由连续带状切屑向锯齿状转变的临界切削条件,及材料的临界流变参数Ψ的值。采用锯齿形切屑的齿距、切削比、锯齿化程度和剪切带倾角来表征锯齿状切屑的几何特征,研究切削参数对切屑几何特征的影响,结果表明:随着切削速度和进给量的增大,锯齿状切屑的齿距和锯齿化程度增加,剪切带带倾角减小;随着切削速度增大,剪切带内的显微硬度增大。 建立了基于材料本构关系的切削力理论预测模型,通过三因素三水平的正交回归实验极差分析,发现斜角切削加工TC17中,切削深度对切削合力影响最大,其次是切削速度,进给量对切削合力的影响最小。切削速度vc对切削温度的影响最显著,进给量f的影响次之,切削深度αp对切削温度的影响最小。 研究了PVD TiAlN涂层硬质合金刀具车削加工钛合金TC17的刀具寿命随切削参数的变化规律,表明切削速度vc对刀具寿命具有显著性影响,其次是进给量f,而切削深度影响较弱。建立了刀具寿命经验模型,分析了刀具寿命与切削效率间的关系,借助SEM观察和能谱分析EDS等手段,对钛合金TC17切削加工刀具的磨损机理进行分析。研究表明钛合金TC17切削加工刀具磨损和失效的主要机理是粘结磨损,同时伴随有磨粒磨损、氧化磨损、扩散磨损。 通过正交回归实验法得到车削和面铣加工钛合金TC17的表面粗糙度经验公式。基于表面粗糙度的经验模型,进行表面粗糙度对各个切削参数响应的灵敏度分析,获得得到平稳表面粗糙度的切削参数区间,并结合刀具寿命-切削效率间的关系获得高效车削加工TC17材料切削参数区间。 (?)本课题得到国家基础研究发展计划(973)(2009CB724401)的资助。


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