钛合金介观尺度铣削动态再结晶软化效应及切削机理研究

Meso-scale titanium alloy parts have broad application prospects in spacecraft. But, the low level machining quality and efficiency restrict its development, and the cutting mechanism is still unclear. This project aims to explore the softening effect of dynamic recrystallization, and clarify the cutting mechanism of titanium alloy in meso-scale milling. Firstly, chip shapes and microstructure are observed to seek the critical machining parameter range where dynamic recrystallization phenomenon appeared. Secondly, strain gradient theory and a stress softening item which is used to describing the softening effect of dynamic recrystallization are introduced to modify conventional Johnson-Cook constitutive model, and then simulate cutting process. Finally, scale effect model is established on the basis of the cutting mechanism. The scale effect and dynamic recrystallization softening effect are verified by a lot of cutting tests, and thus to optimize the machining parameters. As a result, the solid theoretical foundation and a large number of experimental data of titanium alloy in meso-scale milling could be obtained for optimizing the machining parameters. The project is greatly useful to the promotion of meso-scale titanium parts processing quality.

介观尺度钛合金零件在航天器中具有广阔的应用前景，较低水平的加工质量和效率制约其发展，切削机理研究仍处于探索阶段。本项目以钛合金的介观尺度铣削加工为研究对象，探索铣削中的动态再结晶软化效应，揭示切削机理。首先，根据切屑形态和金相组织的实验观测，探索出现动态再结晶现象的临界切削参数。其次，引入细观力学应变梯度理论和用于描述动态再结晶软化效应的应力软化项修正传统Johnson-Cook本构模型，仿真模拟切削过程。结合仿真结果、实验观测和理论分析，揭示切削机理。最后，在切削机理研究的基础上，建立尺度效应模型。通过大量切削实验进行验证，揭示尺度效应及动态再结晶软化效应的影响，以提高加工质量为目标，优化切削工艺参数。本课题的研究为钛合金的介观尺度铣削加工奠定坚实的理论基础并提供大量的实验数据，有的放矢地优化切削工艺参数，对介观尺度钛合金零件加工质量的提升具有重要的理论指导和工程推广意义。

本项目针对于航天器中钛合金小型零件加工质量和效率较低的加工难题。以钛合金的介观尺度铣削加工为研究对象，研究了铣削中的动态再结晶现象，分析了切削机理。对钛合金介观尺度铣削切屑形态进行了实验观测，分析了出现动态再结晶现象的切削参数。建立了修正Johnson-Cook本构模型对介观尺度铣削进行了仿真模拟。在上述研究的基础上，建立了考虑到单齿切削现象、间断性切屑形成和最小切削厚度的尺度效应模型。根据铣削实验结果，以提高钛合金介观尺度铣削表面质量为目标，对切削工艺参数进行了优化。本项目的实施为钛合金介观尺度铣削研究提供了坚实的理论基础，有助于提高钛合金小型零件的加工质量和加工效率，具有重要的理论指导和工程推广价值。主要研究成果如下：. 1) 建立了单因素切削实验对钛合金介观尺度铣削切屑进行了研究，制备了切屑的金相试件。实验观测结果表明，动态再结晶与切削速度有关。对于介观尺度铣削，较低的切削速度不利于断屑，并可能导致刀具损坏，在稳态切削的情况下在绝热剪切带内均发生了动态再结晶。. 2) 在分析刀具偏心参数影响的基础上，提出了一种基于位移测量的介观尺度铣削刀具偏心参数在位识别方法。该方法实验装置简单易得，实验次数远少于基于切削力模型的识别方法，具有适应性强、快速高效、操作简便等特点，并且可拓展应用于常规尺度铣削刀具偏心参数的识别。. 3) 考虑到介观尺度铣削中的间断性切屑形成、最小切削厚度和单齿切削现象等尺度效应的影响，建立了介观尺度铣削尺度效应模型。该模型不但可用于介观尺度端面铣削瞬时切削厚度的计算，还可用于介观尺度周向铣削不同轴向位置处的瞬时切削厚度，为介观尺度铣削的深入研究奠定了基础。. 4) 通过理论分析和实验观测研究了钛合金介观尺度铣削表面形貌，结果表明相对于中间区域，进给方向两侧区域的瞬时切削厚度更小，弹塑性变形更频繁，影响介观尺度铣削表面质量。将槽铣削表面划分为顺铣区域、中间区域和逆铣区域，分别进行了表面优化，获得了更好的表面质量。