[發明專利]一種鈦合金銑削殘余應力場的預測方法

有效

• 申請號: 201611022007.9
• 申請日: 2016-11-16
• 公開（公告）號: CN106529053B
• 公開（公告）日: 2018-03-16
• 發明（設計）人: 姚倡鋒;譚靚;張定華;任軍學;田榮鑫;周征;張吉銀;傅新強;周菲
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 陜西增瑞律師事務所61219
• 代理人: 孫衛增

技術領域

本發明屬于金屬材料機械加工的技術領域，具體涉及到一種基于指數衰減函數的TC17鈦合金銑削殘余應力場的預測方法。

背景技術

鈦合金材料具有輕質、高強、耐高溫、抗疲勞等優異性能，是制造航空航天、國防等領域的重大裝備與新型戰略武器中關鍵零件的重要金屬材料。在新型航空發動機的結構設計中，為了達到減重增效的目的，廣泛采用了復雜薄壁構件。隨著航空發動機涵道比、推重比及服役壽命不斷提高，薄壁構件結構更趨復雜、材料更難加工、形狀精度和表面完整性要求更高。新結構、新材料的采用對薄壁構件制造技術提出了更為苛刻的要求。為了提高鈦合金薄壁構件的加工精度和效率，多軸數控銑削技術一直是航空發動機薄壁構件的主要制造手段。

多軸數控銑削加工過程中會在薄壁構件表面層內誘發殘余應力，殘余應力的狀態對薄壁構件的疲勞性能、抗應力腐蝕能力等有著很大的影響。另外，殘余應力引起的變形也會對薄壁構件的形狀精度和尺寸的穩定性等有很大的影響。在多軸數控銑削過程中，切削參數、工件材料屬性以及刀具幾何形狀等因素會直接影響加工后薄壁構件殘余應力層的深度以及變化梯度。因此銑削殘余應力場的分析稱為目前研究的熱點問題。

銑削殘余應力場的預測方法主要有有限元仿真法、物理解析法和經驗模型法。有限元仿真法和物理解析法，能夠清晰地描述銑削過程和殘余應力分布結果，而在求解時通常采用多種簡化假設，把銑削過程進行理想化，但實際銑削過程復雜、影響因素眾多，因此這兩種方法預測得到的殘余應力場往往與試驗測試值有較大差距。目前對銑削殘余應力場的研究通常采用試驗法。Sridhar等分析了銑削加工鈦合金材料時工件表層殘余應力的分布狀況，結果表明對于選用的切削參數而言，殘余應力基本上處于壓應力狀態。Rao等針對Ti-6Al-4V端銑，發現亞表層為殘余壓應力，殘余應力層深度為40μm，隨著切削速度和進給量的增加，殘余壓應力也增大。Daymin等針對Ti-6Al-4V采用涂層刀具進行了一系列的端銑試驗來研究加工傾角和切削速度對殘余應力的影響，結果表明加工傾角越大，殘余壓應力將會降低。田榮鑫等通過TC17鈦合金銑削試驗，發現隨著后刀面磨損量的增大，表面殘余壓應力、最大殘余壓應力以及殘余壓應力層深度均呈現增大趨勢。

中國專利《一種機械零件表平面殘余應力場的預測方法》，申請號為CN201510729118.2，公開號為CN105426660A，公開日為2016.03.23，公開了一種機械零件表平面殘余應力場的預測方法，其特征是：1)建立主殘余應力分量的模型；2)初步測試分析確定模型階數；3)根據模型階數，確定測試點個數及測試方案并進行測試；4)根據預測模型和測試結果，求解模型系數；5)根據殘余應力分量測試結果、已求的模型系數和自平衡條件，求解其它殘余應力分量預測模型系數；6)表平面殘余應力場形象表征。該發明避免了測試的盲目性，建立的模型求解過程簡單且方法充分考慮了表平面殘余應力場的自平衡特性，可以方便地輸入到有限元分析程序中，在不可詳知制造工藝或使用過程的機械零件的表平面殘余應力場的預測具有明顯優勢。

從已有的研究可以看出：目前對于銑削加工表面殘余應力分布及大小的研究主要集中在單一考慮切削參數、刀具幾何參數、刀具姿態以及刀具磨損對殘余應力的影響上，而綜合考慮各因素影響預測銑削殘余應力場的研究較少。

發明內容

本發明是針對上述現有銑削工藝中殘余應力場控制困難、測試工作量大、預測精度差等問題，而提出了一種基于指數衰減函數的鈦合金銑削殘余應力場的預測方法，實現對鈦合金銑削殘余應力場的預測，進而指導鈦合金銑削工藝參數的選取。旨在通過建立銑削工藝參數與殘余應力場的關系模型，解決根據殘余應力場的設計需求，合理確定銑削工藝參數。

本發明采用的技術方案如下：

本發明系基于指數衰減函數的鈦合金銑削殘余應力場預測，其按如下步驟進行：

步驟1：確定銑削殘余應力場的指數衰減函數模型：

鈦合金銑削后表層為殘余壓應力狀態，殘余壓應力隨著表面下深度的增大逐漸減小，并達到基體殘余應力狀態。因此提出用指數衰減函數對銑削殘余壓應力曲線進行描述：

σ(h)＝Ae^-λh

式中，σ為殘余應力；h為表面下深度；A為殘余應力初始值；λ為指數衰減系數，決定著殘余壓應力場衰減到穩定值附近的快慢程度,

[A，λ]定義為殘余應力場控制因子；

步驟2：確定殘余應力場控制因子與銑削工藝參數關系模型：