基于五轴加工运动综合的复杂零件铣削表面完整性创成机理研究

Based on the results of the previously supported project, which supplies the five-axis machining kinematics, this proposal is to study the surface integrity generation from point of view of process in complex workpiece milling. By introducing the model of envelope surface and cutter-workpiece engagement in five-axis milling, we propose to study the mapping from the parameters of cutting motion and cutter geometry to the shear angle, plastic strain, shear yield strength based on the metallo-thermomechanically coupled analysis. Meanwhile, critical transition temperature computation of material microstructure and volume of phase transformation portion will be developed. As a result, we can obatain the history-dependent evolution of stress, strain, temperature and microstructure at arbitrary position under the surface. Incremental integration is implemented on the loading and unloading process and the distribution of plastic strain is obtained. Moreover the residual stress can be calculated based on the geometrical compatibility condition. Also we can predict the thickness of white layer and hardening layer. Also we will design the cryogenic auxiliary cutting experiment and the experiments to identify the material constitutive parameters, measure the physical variables and characterize the surface integrity. Based on these work, we develop the model of machining parameters optimization to guarantee the surface integrity, and provide the fundamental theory for surface integrity generation in milling process.

本项目基于前期青年基金五轴加工运动学方面的成果，拟研究复杂零件表面完整性创成五轴铣削工艺机理。通过引入五轴运动刀具包络面模型和刀具-工件啮合几何，建立五轴铣削力热耦合作用下切削运动及刀具几何等外部控制参数与切削变形区内剪切角、塑性应变、材料剪切屈服强度等内部状态参数之间的映射关系，建立材料组织临界转变温度及相变部分体积的计算方法，获得表层下任意位置的应力-应变-温度-组织的变化历史，对该历史进行增量积分完成加载-卸载过程，得到表层下塑性应变的分布并根据几何协调条件完成残余应力的计算，预测白层深度及加工硬化层深度。同时设计冷却辅助切削工艺实验，开展材料本构参数辨识、切削过程物理参数测量及表面完整性测试等实验工作。逆向推理表面完整性驱动的最优工艺参数组合，最终形成系统的铣削加工表面完整性创成理论和方法。

运载、能源和国防等领域的动力部件，服役中承受着极高的冲击载荷、振动载荷、热载荷，以及环境介质的腐蚀与氧化，极易造成疲劳破坏，影响整体结构的疲劳寿命和使役性能。零件切削加工表面完整性对零件的疲劳寿命和使役性能有着重要影响，为满足零件抗疲劳服役性能要求，在制造过程中除稳态加工和几何精度要求外，必须保证零件优良的表面完整性，即形成表面/亚表面目标状态，如残余应力、显微硬度等。.本项目研究切削表面完整性形成的工艺机理，研究内容包括：1. 切削区应变场原位测量与切削表面显微硬度预报，2. 考虑动态载荷工况的切削残余应力无松弛解析计算与侧铣加工工艺调控，3. 切削表面白层的表征与形成机制研究。.项目开展中，搭建了基于数字图像技术的切削过程物理量测试系统，测量加工过程中切削区变形场（应变率和应变）和温度场，为了克服成像质量引起的弹性应力场计算的误差，提出了一种根据平衡方程修正静水压强的方法，通过数字图像自相关技术手段获取切削区应力分布，研究结果用于切削表面塑性应变与显微硬度预测与校验。发展了基于夹杂理论的加工残余应力解析预测模型，揭示了加工引起的局部非弹性应变与残余应力之间的映射关系，从而提出了直接求解残余应力的无松弛方法，通过实验结果验证了新方法的适用性，并拓展应用到传统松弛方法无法解决的动态载荷切削加工残余应力解析预报问题。AISI52100钢硬车中，得到不同热处理条件下切削表面白层形成的切削速度阈值临界值，并发现白层厚度的周期性变化。.以上成果共计发表SCI论文十篇，其中美国机械工程学会会刊论文六篇。切削成像工作应邀在2016年CIRP会议上做大会特邀专题报告。残余应力建模工作被同行评价为“提出了一种新的侧铣残余应力解析预测模型，首次考虑了反复变载荷加载工况”。此外，CIRP Annals综述文献报道了本项目的工艺调控工作，“所采用的加工工艺减少了工件表面振痕”。项目负责人获批国家优秀青年科学基金。