高速切削航空铝合金变形理论及加工表面形成特征研究

【摘要】： 高速切削加工技术是先进制造技术的一项全新的共性实用技术，已成为现代切削加工技术的重要发展方向，具有广阔的市场应用前景。高速切削技术具有的高的生产效率、加工精度、表面质量和生产成本低等优点，已成为先进制造技术的重要组成部分，自20世纪90年代进入工业化应用后，取得了巨大的经济效益。航空制造业是高速切削加工的应用最早，最为广泛的行业，其中主承力结构件多数为整体坯料“掏空”的整体结构件，代替传统的拼接结构。因此高速切削技术在对材料去除率大、加工质量要求高、加工周期长的整体结构件加工中更能体现其独特的优势。但我国高速切削技术的研究起步较晚，对高速切削基础工艺理论及切削机理深入研究还不足，在理论研究和实际生产推广应用中存在许多问题，不能充分发挥高速切削的优越性。 高速切削加工过程是导致工件表面层产生高应变速率的高速切削变形和刀具与工件之间的高速切削摩擦学行为形成的为热、力耦合不均匀强应力场的制造工艺。与传统的切削加工相比，加工中工件材料的力学性能、切屑形成、切削力学、切削温度和已加工表面形成等都有其不同的特征和规律。论文针对高速铣削航空铝合金7050-T7451加工变形理论和表面特征形成进行了系统的理论和实验研究，为航空制造业高速切削加工的推广和应用提供重要的理论依据和技术支撑。 建立准确的高速切削加工工件材料动态力学性能是研究切削变形理论和切削过程模拟仿真的重要基础，然而仅依赖单纯的材料实验很难获得其符合切削加工过程的动态力学性能。根据常规动态压缩(SHPB)材料实验研究应变、应变率、温度对流动应力的影响趋势，证明经验Johnson-Cook本构模型对铝合金7050-T7451力学性能具有较好的适应性。针对高速切削加工“高温”、“高应变”、“高应变率”的特点，提出正交切削实验法对铝合金7050-T7451高速切削加工中的变形行为、剪切流动应力、应变、应变率等特性及相互影响规律进行研究；对实验结果进行回归计算，建立高速切削加工铝合金7050-T7451的本构方程。以主切削力为目标，实验与模拟结果验证了正交切削实验法建立高速切削加工材料本构方程的可行性和可靠性。 研究了高速铣削铝合金7050-T7451时的切屑形成机理、切削变形关系、切削力学、摩擦系数等切削基础理论，主要包括：1)利用位错理论研究了切屑形成微观机理，从微观角度对变形区进行了更精确的重新划分，增加了刃前变形区和位错压缩变形区；2)建立不同刀具铣削加工的铣削力经验模型，研究切削参数对铣削力的影响，结果证明900m／min为7050-T7451进入高速切削的临界速度；3)利用正交直角车削实验获得切削分力计算得到前刀面的平均摩擦系数，研究切削速度对摩擦系数和摩擦角的影响趋势。最后，基于快速落刀实验和有限元仿真结果对高速切削剪切角模型的进行修正，综合考虑工件材料和切削速度对剪切角的影响，建立适用于铝合金7050-T7451的高速切削加工的切削方程式。 建立了高速铣削加工过程的三维几何模型，基于有限变形理论的热力耦合理论方程和模拟中的关键技术，对铝合金7070-T7451的三维斜角切削加工进行模拟仿真。对切削过程中切屑形成过程和应力场、应变场、温度场等物理量分析和研究，证明了高速切削加工中在工件表面形成的不均匀、高强度的热-力耦合应力场。利用切削力实验，与模拟切削过程中初始阶段和稳态过程中的切削力变化规律进行了对比，验证了三维斜切削加工有限元模型的准确性，为课题后续实验研究和理论分析提供量化的依据。 高速铣削航空铝合金时，已加工表面形成的宏观和微观特征与普通铣削有较大不同。以高速铣削实验为依据，建立高速铣削铝合金7050-T7451的加工表面表面粗糙度模型，研究切削参数对表面粗糙度的影响；基于加工表面硬化形成机理，结合表面显微硬度实验，研究材料的硬化程度与硬化层深度，建立铝合金7050-T7451表面硬化程度与硬化层深度的模型；分析了残余应力的产生机理和热-力耦合对工件表层残余应力的影响；通过摩擦磨损实验，研究不同切削参数得到的加工表面的摩擦与磨损特性，证明了高速切削加工不仅可以获得优于低速加工表面质量，零件的耐磨性等性能也有显著提高。 利用显微观察方法(SEM、TEM)对铝合金7050-T7451高速铣削加工的工件表面断面和不同深度的表层的微观形貌特征进行系统的研究，确定了高速切削加工铝合金7050-T7451的表面变质层深度为30～35μm；应用位错能量研究了高速铣削加工过程的热力耦合对变质层的影响机理，并通过微观形貌观察证明：与普通切削相比，高速铣削表层塑性变形的能量和位错密度更高；建立了位错密度的加工硬化的动力学模型，研究了加工硬化的热-力耦合形成机理；对微观裂纹的形成机理进行了理论分析，证明位错密度高的高速切削过程中较低速加工更容易产生明显的微裂纹，从分子级乃至原子级的水平进一步揭示高速切削加工表面变质层的形成特征。 本课题得到国家自然科学基金重点项目“大型航空整体结构件加工变形机理及精度保障技术(50435020)”的支持。