基于压应力制造的高速超声复合加工表面层演化规律及疲劳行为研究

For machining hard-to-cut materials such as high temperature alloy and titanium alloy, studies on surface fatigue behavior and evolution law in high-speed ultrasonic machining process is proposed based on compressive stress manufacturing technology.The acoustic systems adapting to standard acoustic tools and high-speed cutting conditions are to be studied, and the model of system stability, the limit cutting conditions and the stability criterion are to be established, therefore, the new processing methods for anti-fatigue surface are to be discussed. Based on the thermodynamic coupling model, the impact energy relationship model and the prediction model for residual stress distribution, the critical energy conditions of the predefined surface layer microstructures and mechanical properties will be obtained. By studying the influence of coupling factors such as the material strain rate intensify, softening, impact and cavitation effect on the formation of surface layer in processing composite materials phase transition conditions of surface layer structures can be obtained and the evolution law and essence of physicochemical effects will be reveal for the different surface layers in the processing. According to the achievement of surface layer microstructure, texture characterization, friction performance, surface damage, fatigue and so on, the application adaptability of the surface can be accessed. The scientificity of the anti-fatigue manufacturing method is to be revealed by establishing multi-scale evaluation systems.That the above problems can be solved not only provides a new effective anti-fatigue manufacturing method, but also plays a great significance for manufacturing technology for high performance components in the field of aerospace.

针对高温合金、钛合金一类难加工材料，提出基于压应力制造的高速超声复合加工表面抗疲劳制造方法及演化规律研究：研究适应标准声学工具、高速切削条件的复杂声学系统设计方法，建立系统稳定性模型、极限切削条件及稳定性判据，构筑抗疲劳表面新的加工方法；基于对系统的热力耦合模型、冲击能量关系模型及残余应力分布预测模型的研究，获得表面层组织和性能可预控的临界能量条件；研究复合加工时材料的应变率强化、热软化、冲击、空化效应等因素耦合对表面层形成的影响，获得表面层组织相变的产生条件，揭示不同表面层在加工过程中的物理化学及其耦合的演化规律和本质；通过研究表面层的微结构、纹理表征、摩擦性能、表面损伤及疲劳等问题，获得表面的应用适应性；通过建立该方法的多尺度评价体系，揭示其抗疲劳制造方法的科学性。如果能够解决上述问题，不仅可以提供一种新的高效抗疲劳制造方法，且对我国航空航天领域的高性能构件制造技术的进步具有重要意义。

针对高温合金、钛合金一类难加工材料，提出基于压应力制造的高速超声复合加工表面抗疲劳制造方法及演化规律研究。构建了综合考虑再生效应和刃边效应的多方向超声振动辅助铣削系统的切削力模型，建立了超声振动辅助铣削的动力学模型。提出了时域轨迹法作为窗口函数，判断瞬时切厚的真实存在，获得了由工艺参数构成的加工过程稳定边界并实验验证了理论预报的结果；提出了以提高系统稳定性为目标的加工参数的优先选择顺序和优选方向，实现无颤振加工提供了依据。得出时域轨迹法是一种简单可行和计算效率较高的方法；通过数学方法建立了超声铣削切削刃的运动轨迹模型，研究了纵扭超声铣削切削刃的运动轨迹特征，分析了转速、超声表征参数和刀具螺旋角对净切削时间及其占空比的影响，以及超声表征参数对刀具-工件能够产生分离的临界转速影响；采用数学方法建立了纵扭超声铣削未变形切屑厚度的模型；从剪切应力和犁切应力角度出发，建立了纵扭超声铣削机械载荷作用下的应力模型；从剪切热和犁切热角度出发，建立了纵扭超声铣削热载荷作用下的应力模型；根据加工残余应力的形成机理，通过应力加载和释放，建立了纵扭超声铣削残余应力理论模型，揭示了纵扭超声铣削残余应力形成机理；基于热-力耦合作用，建立了纵扭超声铣削等效三维有限元仿真模型，分析了刀具几何参数和超声表征参数对切削力、切削温度以及加工残余应力的影响；对钛合金Ti-6Al-4V进行了纵扭超声侧铣-顺铣加工试验，研究了加工参数、冷却润滑条件以及刀具磨损对切削力、切削温度和加工残余应力的影响；基于NSGA-II建立了多目标优化模型，并通过试验对优化结果进行验证，为不同的工程应用场合提供了最优参数选择。研究了超声铣削对表面微特性的影响机理，分析了不同分形维数下，工件的微结构与摩擦学特性。项目研究期间发表论文25篇（SCI检索16篇），申请专利23项，其中发明专利18项，培养博士后4名，博士研究生6名，硕士研究生10名，参加国内外学术会议27人次。