医用钛合金切削加工中切屑变形机理研究

在分析医用钛合金材料Ti-6Al-4V特性的基础上，首先从理论上阐明了钛合金切削加工的切屑变形机理，然后采用试验研究方法，从切屑变形系数ξ与刀具前角γ0的关系、显微组织结构特征两方面对切屑变形机理进行深入研究，发现钛合金Ti-6Al-4V高速切削时切屑变形的主要特征是集中剪切滑移；切屑变形系数ξ随刀具前角γ0的增大而减小，在保证切削刃强度的前提下，增大刀具前角可改善钛合金的切削性能；同时Ti-6Al-4V钛合金的典型（α-β）相金相组织使其成为难切削加工材料，应积极采取措施减少其给切削加工带来的不利因素。     

置氢钛合金车削时刀具扩散磨损研究

采用热氢处理技术在800℃下,对Ti-6Al-4V合金进行了置氢处理。通过车削试验,比较了切削置氢钛合金时硬质合金刀具的耐用度,采用SEM及EDS等分析仪器对刀具的扩散磨损机理进行了深入探讨。研究表明:90m/min的切削速度下,切削置氢量为0.3%试件对应刀具耐用度相对于切削未置氢试件时提高了2.2倍。切削未置氢和置氢量为0.3%的钛合金TC4时,刀具均有扩散磨损发生,并且切削未置氢钛合金时对应刀具前刀面的扩散层深度相对较深。磨损区切削温度的差异,以及钛合金TC4适量置氢后,其组织、力学性能、物理性能变化而引起的钛合金与刀具材料之间化学亲和力的改变是刀具耐用度和扩散磨损程度存在差异的主要原因。     

置氢对Ti-6Al-4V合金组织和性能的影响

为掌握置氢改善钛合金切削性能的机理,利用光学显微镜与X射线衍射仪分析了置氢Ti-6Al-4V合金的显微组织,采用热膨胀仪与热常数测试仪测定了该合金的热膨胀系数和导热系数,通过高温拉伸试验研究了该合金的力学性能。结果表明:置氢后,随着氢含量的增加,合金中的β相比例提高,并且生成了δ氢化物;与未置氢钛合金相比,在900℃时的热膨胀系数最大降幅为6%,而导热系数在500℃时的增幅最大,为40%;置氮后的钛合金,在800℃时抗拉强度与伸长率的降幅分别为19%和74%。     

后处理对激光选区熔化成形Ti-6Al-4V钛合金力学性能的影响

采用激光选区熔化技术直接成形Ti-6Al-4V钛合金静力试验件,对部分试验件进行热处理或热等静压处理,并对三种状态的部分试验件进行表面打磨,通过试验对比研究了热处理/热等静压、表面处理等后处理工艺对激光选区熔化Ti-6Al-4V力学性能的影响。采用光学显微镜和扫描电镜对不同状态试验件的微观组织和断口形貌进行了观察,分析力学性能变化的原因。热处理和热等静压后,激光选区熔化Ti-6Al-4V钛合金试验件的极限强度有所下降,但延伸率提高约50%,韧性增强。表面打磨处理使热等静压态试验件屈服和极限强度均提高了约30 MPa,但未引起沉积态和热处理态试验件力学性能的明显改变。     

基于变弹性模量的Ti-6Al-4V板材五点弯曲回弹预测

Ti-6Al-4V钛合金材料在弯曲成形过程中会产生较大的回弹,其弹性模量对回弹影响较大,但以往研究均未考虑材料塑性应变变化过程中弹性模量的变化。以Ti-6Al-4V钛合金为对象,进行了材料的单轴拉伸实验和循环加载卸载实验,以揭示材料各向异性参数及材料弹性模量随塑性应变变化的规律,在此基础上建立了Ti-6Al-4V钛合金变弹性模量数学模型。基于YLD2000-2D屈服准则及变弹性模量和Mises各向同性两种不同的本构模型,对常温下Ti-6Al-4V钛合金板材的五点弯曲过程进行了数值模拟,为了验证数值模拟结果,进行了常温下Ti-6Al-4V板材的五点弯曲实验,结果显示,前者显著提高了Ti-6Al-4V钛合金弯曲回弹预测精度,预测精度相比后者提高了31.18%。     

研磨光整处理Ti-6 Al-4 V钛合金表面 组织及疲劳性能

通过金相显微镜等测试仪器测试Ti-6Al-4V钛合金表面组织及疲劳寿命性能,对比研磨光整处理前后Ti-6Al-4V钛合金拉伸断口形貌以及微观组织。研究结果表明:双面加工时试样硬度随外径增大而显著上升。没有研磨光整处理的Ti-6Al-4V钛合金疲劳裂纹产生于表面区域,而经过研磨光整处理后的钛合金裂纹源转移到次表层中,裂纹源的周边组织中便不再存在类解理断裂形貌,形成的疲劳带宽度也更小。研磨处理前的钛合金具有较大的晶粒尺寸,经过研磨处理后钛合金表层的等轴晶粒被彻底击碎,转变为众多小晶粒。     

热氢处理对(TiB,TiC)/Ti-6Al-4V复合材料显微组织和力学性能的影响

对原位反应制备的(TiB,TiC)/Ti-6Al-4V复合材料进行热氢处理,研究了不同状态下复合材料的显微组织和力学性能。结果表明:置氢处理降低了复合材料的相变温度,提高了β相的含量;氢含量为0和0.15%的复合材料热锻后获得α和β相,氢含量为0.6%的复合材料获得α′′马氏体和β相;除氢处理提高了复合材料在室温和400℃下的屈服强度和抗拉强度。     

考虑材料损伤演化的钛合金切削过程仿真及试验研究

为更精确地模拟钛合金的切削过程,将断裂力学的裂纹扩展能量理论作为材料损伤演化准则引入切削仿真,考虑刀具切屑接触面上的极限剪切应力随摩擦系数变化、摩擦系数随温度变化,建立了钛合金Ti-6Al-4V二维正交热力耦合切削仿真模型。通过钛合金车削试验及切屑金相观察试验对有限元模型进行验证,结果表明仿真的切削力、锯齿切屑形态与实验结果吻合程度较高。以该有限元模型为基础,分析了已加工表面的残余应力,预测了前角对切屑卷曲与损伤程度、剪切角、锯齿形状、刀具温度的影响。     

马氏体组织Ti-6Al-4V钛合金多向等温锻造组织演变及力学性能强化研究

将铸态Ti-6Al-4V钛合金经过β相区热处理水淬之后获得马氏体组织,经过两步多向等温锻造之后获得了平均晶粒尺寸为1.5 μm的均匀等轴细晶组织,其室温拉伸屈服强度为906 MPa,抗拉强度为954 MPa,伸长率为16.7%,相比铸态Ti-6Al-4V钛合金,其室温力学性能得到了极大提升。研究表明,获得马氏体组织对钛合金晶粒细化有着巨大促进作用。第一步等温锻造之后的钛合金坯料组织并不均匀,存在变形区和“变形死区”,在变形区域内,心部位置应变量最大,组织细化最为明显,从心部到两端应变量逐渐减小,片层组织变形量相应减小;经过90°换向后的第二步等温锻造之后,钛合金坯料组织内的片层组织基本全部细化,形成了均匀的等轴晶组织,从心部到两端,随着应变量的减小,晶粒取向变化相应减小。     

基于加工特征的铣削力预测研究

航空发动机广泛采用钛合金薄壁结构,薄壁件在铣削加工过程中受铣削力的影响易于产生加工变形,影响加工质量。为减少加工变形,提高加工质量,需对铣削加工过程中的铣削力进行预测。为此,以Johnson-Cook本构方程为基础,考虑材料热力学动态性能和断裂准则对铣削力的影响,建立了基于加工特征的钛合金Ti-6Al-4V铣削力预测模型。首先,利用UG/Open工具模块对UG软件进行二次开发,创建了零件加工特征知识库。然后,利用Deform-3D仿真软件对材料本构模型、切屑分离和切屑断裂准则等进行描述,建立钛合金Ti-6Al-4V铣削加工有限元模型,对铣削力进行预测。铣削力实验证明了预测模型的可行性。最后,利用建立的有限元模型研究了工件曲率半径对铣削力的影响。结果表明,圆弧内轮廓铣削过程中的铣削力较大,圆弧外轮廓铣削过程中的铣削力较小。     

置氢钛合金切削变形的实验研究

进行了爆炸落刀实验获取不同置氢量钛合金TC4的切屑根部,通过对切屑根部各变形区和切屑形态的分析研究置氢量影响钛合金切屑变形的规律.分析发现,置氢后钛合金的各变形区的变形量减小了,切屑由明显的锯齿形转变为近似带状的切屑.进一步测量了置氢钛合金切削过程中的切削力和切削温度,并根据切削变形量的减小解释了切削力和切削温度降低的机理.     

激光气体氮化原位合成制备TiN/Ti_3Al复合涂层及其抗高温冲蚀性能

通过在氮气中加入铝粉,采用激光气体氮化技术在Ti-6Al-4V钛合金表面原位制备了TiN/Ti_3Al复合涂层,研究了涂层的微观形貌、物相组成、硬度分布以及抗含SiC和SiO_2颗粒的高温高速水蒸气冲蚀的能力。结果表明:涂层的表面硬度为(1 400±50)HV,是Ti-6Al-4V钛合金的4倍;用SiC颗粒冲蚀较短时间或用SiO_2颗粒冲蚀后,涂层的冲蚀质量损失随冲蚀角度的增大而增加,Ti-6Al-4V钛合金的则减小;在相同冲蚀角度下,涂层的冲蚀质量损失随冲蚀颗粒硬度的增加而增大,Ti-6Al-4V合金的冲蚀质量损失在较小冲蚀角度时也遵循此规律,但在较大冲蚀角度下,质量损失的变化不大。     

改善钛合金切削加工性的置氢工艺及置氢量优化

为了改善钛合金的切削加工性能,提出将钛合金进行置氢处理后再进行切削加工。在650℃、750℃和800℃下对Ti-6Al-4V合金进行了置氢处理,并在干切削条件下对其开展了切削力、切削温度对比试验。结果表明:在置氢工艺相同时,随着置氢量增加,热电偶的热电势系数越来越大;主切削力在650℃置氢时相对未置氢试件仅降低2%,750℃置氢时没有降低,而800℃置氢时主切削力约下降了8%;切削温度均呈现先快速降低、经过一平缓变化段后又快速增加的变化趋势,在650℃、750℃和800℃置氢情况下,切削温度相对未置氢试件分别约降低了50℃、76℃和80℃。最终确定优选的置氢工艺为:在800℃下置氢、保温6h、随炉冷却至室温;最佳置氢量范围为0.21%～0.37%。     

高强度螺栓高温条件下预紧力松弛的有限元模拟

为了研究高温条件下高强度螺栓预紧力的松弛特性,螺栓材料分别选用40Cr合金钢和Ti-6Al-4V钛合金。应用ABAQUS有限元软件建立装配体模型,定义了材料的本构模型和装配体各部件之间的接触,分析了常温预紧力状态下及高温条件下螺栓的受力及变形。分析结果表明,在高温条件下,Ti-6Al-4V钛合金预紧力松弛现象明显好于40Cr合金钢,Ti-6Al-4V钛合金高强度螺栓比40Cr合金钢螺栓拥有更高的强度和更好的延展性。得出的结论可为高温条件下高强度螺栓的材料选用提供理论依据。     

高速切削Ti-6Al-4V绝热剪切带应变、应变率有限元模拟研究

塑性金属材料高速切削过程中存在绝热剪切行为,绝热剪切带内的应变、应变率分布规律是研究高速切削绝热剪切带特性的基础。首先,应用有限元软件ABAQUS/Explicit建立Ti-6Al-4V热-位移耦合平面应变二维切削模型,工件材料采用Johnson-Cook(J-C)本构模型,基于J-C失效判据设置切屑和工件分离准则,实现对Ti-6Al-4V的切削过程仿真。其次,对比分析有限元仿真与切削实验获取的切屑形貌,验证有限元模型的准确性。最后,分析Ti-6Al-4V高速切削绝热剪切带处应变、应变率变化规律。结果表明:切削速度在180~3 000m/min范围内,随切削速度提高,切屑绝热剪切带内的应变、应变率先增大后趋于稳定,绝热剪切带变形程度增加直至韧性断裂。研究结果有助于准确预测绝热剪切带的断裂并揭示其演化机制,通过利用材料的绝热剪切行为,可控制高速切削过程中的切屑形态,改善Ti-6Al-4V的切削加工性。     

Ti-6Al-4V钛合金薄板应力松弛行为研究

针对Ti-6Al-4V钛合金薄板,分别在温度650℃、700℃和750℃,和预应变2%、4%和16%的条件下进行多组应力松弛交叉试验。研究Ti-6Al-4V钛合金高温下的应力松弛行为及温度和预应变对应力松弛极限的影响。并基于试验数据,对比分析阶次不同的延迟函数的拟合精度,最终采用精度更高的四次延迟函数进行Ti-6Al-4V钛合金的应力松弛曲线拟合。通过对比发现四次延迟函数预测的结果和试验数据十分吻合,并且拟合最低精度高达99.724%,证明使用四次延迟函数拟合应力松弛曲线的有效性。在试验数据的基础上,进一步推导出高温短时蠕变应变速率与应力的关系。最后基于Arrhenius本构模型,通过对各参数的线性回归,建立适合Ti-6Al-4V钛合金薄板的高温短时蠕变型本构方程,为后续热校形工艺制定和数值模拟奠定基础。     

丝锥全生命周期参数对攻丝性能影响的研究

采用正交试验法完成了HSS/Co-M35含钴高速钢丝锥加工Ti-6Al-4V钛合金的攻丝试验。利用极差分析法研究了丝锥全生命周期参数即丝锥前角(刀具设计参数)、刃口钝化半径(刀具制造参数)、主轴转速(刀具使用参数)对攻丝性能的影响。利用综合评分法将扭矩max、轴向切削力max和切削温度max等3项攻丝性能指标转化为单一综合切削性能指标y*i,分析结果表明:攻钛合金时丝锥全生命周期参数取刃口钝化半径0.01 mm,丝锥前角10°,主轴转速150 r/min时最优。通过试验与数值模拟获得的扭矩值及趋势、切屑形态及切削刃对比图,验证了在Advant Edge FEM软件中建立的丝锥攻Ti-6Al-4V钛合金模型的可靠性。     

高速铣削钛合金Ti-6Al-4V切削力仿真研究

切削力对工件的机械加工性和刀具磨损有重要的影响。基于有限元仿真技术,针对钛合金Ti-6Al-4V高速铣削力进行数值仿真,重点研究切削参数对铣削力的影响规律。结果表明:随着每齿进给量和径向切深的增加,切削力有不同程度的增加;随着轴向切深的增加,切削力呈正比增加趋势,但主轴转速对铣削力影响并不明显。分析结果为钛合金Ti-6Al-4V高速铣削加工工艺参数优化奠定了基础。     

金属叠层材料层间毛刺形成的钻削实验研究

通过对Ti-6Al-4V钛合金和7075-T6铝合金组成的叠层材料进行干式钻削实验,分析了叠层次序、压紧力、进给量和转速对层间毛刺高度和宽度的影响,并观察了毛刺的微观形态。在实验中,当转速为2 000r/min,进给量为0.075mm/r,压力为0.3MPa,叠层顺序为Ti-6Al-4V在7075-T6上时,有最小的层间毛刺和层间毛刺形态。     

钢球侵彻Ti-6Al-4V靶板的数值分析研究

为了研究不同结构的Ti-6Al-4V靶板的抗弹性能，通过非线性动力学软件AUTODYN对不同直径的钢球侵彻不同结构的Ti-6Al-4V靶板进行了数值仿真，验证了材料模型的可靠性，计算出了不同直径钢球对半无限靶版的极限穿透深度和间隔靶板在不同间隔下的弹道极限速度，为钛合金在军事上的应用提供一定的参考。