面向抗疲劳制造的表面完整性主动控制基础理论与方法

Anti-fatigue manufacturing technology involving mechanical processing, surface hardening and surface strengthening, which is integrated applications of the three technologies. Through surface deterioration layer of fatigue-resistant, which caused by surface integrity control, can inhibit stress concentration sensitivity of high strength alloy, recovery and increase the fatigue strength. Which is increasingly the attention of scholars at home and abroad. This study oriented to mechanical processing and surface strengthening of high-strength titanium alloy. Basic theory and control method of anti-fatigue manufacturing surface integrity are studied by theoretical calculation, processing experiment, test analysis, fatigue testing. Specific content includes: change law of machined surface and surface stress concentration effects model facing to process application integration; parametric representation method of micromechanics and microstructures of surface metamorphic layer; changes and evolution model of micromechanics and microstructures surface metamorphic layer facing to process application integration; the effect mechanism and model of micro-mechanical properties gradient change of surface deterioration layer on fatigue property; basic theory and method of surface metamorphic layer gradient optimization and active control. The project aims to explore the surface integrity generated evolution and change under different processing integrated application. Propose and establish the active control basic theory and methods of surface integrity. which provides theoretical basis and technology evidence for the anti-fatigue manufacture of high-strength alloy components.

抗疲劳制造技术涉及机械加工、表层硬化和表层强化等技术的集成应用，通过表面完整性控制，造成抗疲劳的表面变质层，抑制高强度合金疲劳强度应力集中敏感，恢复和提高疲劳强度，日益受到国内外学者的重视。本项目以高强度钛合金的高速铣削和表层强化为研究对象，通过理论计算、加工实验、测试分析、疲劳试验等，开展面向抗疲劳制造的表面完整性主动控制基础理论与方法研究。具体内容包括：面向工艺应用集成的制造表面变化规律与表面应力集中效应模型；表面变质层的微力学与微结构参数化数学表征方法；面向工艺应用集成的表面变质层微力学与微结构变化规律与模型；表面变质层微力学性能梯度变化对疲劳性能的影响机理与模型；表面完整性主动控制模型与工艺优化方法研究。本项目旨在探索不同加工工艺集成应用情况下表面完整性的产生、演化和变化的科学问题，提出并建立表面完整性主动控制基础理论与方法，为高强度合金构件的抗疲劳制造提供理论方法与技术基础。

项目以高强度合金的切削和表层强化为研究对象，探索不同工艺集成应用情况下表面完整性的产生、演化和变化的科学问题，以及表面完整性主动控制相关理论与方法。项目主要创新性工作有：（1）针对高速铣削（M）、高速铣削-抛光（MP）、高速铣削-抛光-喷丸强化（MPS）、高速铣削-抛光-喷丸强化-抛光（MPSP）四种集成工艺，研究了制造表面变化规律；基于包括表面纹理、Ra，Ry，Rz等表面粗糙度特征，通过比较分析和数理解析，建立了四种工艺集成应用的表面形貌对疲劳的影响规律；分析了铣削、抛光和喷丸不同工艺带来的表面应力集中系数Kst计算方法，开发了Kst计算软件工具。（2）通过定义残余应力场与显微硬度场分布梯度变化曲线的关键点和关键值，采用数值拟合与理论推导的方法，建立了残余应力场与显微硬度场参数化表征方法；对变质层的微观组织特征采用图像化表征，通过对图像化表征中关键特征参数的提取，进行了微观组织的数字化表征；对四种典型集成工艺试验数据进行了比较分析，研究了表面变质层的残余应力梯度分布、显微硬度梯度分布、微观组织变化规律，通过数理解析建立了残余应力梯度分布、显微硬度梯度分布的变化模型。（3）基于疲劳极限与抗拉强度，以及抗拉强度与显微硬度的关系，同时借鉴Goodman关系式，通过数理解析和拟合，首次提出基于残余应力和显微硬度场的疲劳极限分布模型；在此基础上，建立了构件疲劳失效危险区域判定方法；针对高速铣削（M）、铣削-抛光-喷丸（MPS）、铣削-抛光-喷丸-抛光（MPSP）三种典型集成工艺，进行了疲劳极限分布预测和危险区域分析验证。（4）首次提出基于Kst和表面变质层分布梯度变化对疲劳性能影响的表面完整性主动控制模型；结合不同集成工艺下Kst和变质层的变化规律，研究了面向抗疲劳制造的集成工艺优化方法。项目执行过程中发表SCI期刊论文16篇，申请发明专利4项。研究成果为丰富和推动制造技术发展，实现高强度合金构件抗疲劳制造提供了理论基础。