基于韧性失效的航空轻合金切削机理研究

钛合金、铝合金等轻质合金广泛应用于航空、航天、军工以及民用领域。航空结构件的加工需要较高的加工精度和加工效率。研究航空钛合金、铝合金的加工机理(切屑形态、切削力、温度等),对提高航空航天工业以及其他相关行业的制造技术水平具有重要的意义。本文首先分析了热弹塑性条件下的应力应变关系。基于材料韧性失效过程的应力应变曲线,建立了能量法韧性失效材料模型。采用Johnson-Cook材料模型表征切削过程中的塑性变形属性;应用韧性失效初始和演化准则表征材料韧性失效过程。采用能量法的韧性失效模型对钛合金Ti-6Al-4V正交切削过程进行了有限元仿真,仿真结果显示模型网格特征尺寸对仿真的切削力和切屑形态具有较大的影响。为消除特征尺寸对仿真结果的影响,建立了韧性失效能密度法的韧性失效准则。为金属切削过程有限元仿真提供了有效的材料建模方法。设计了钛合金Ti-6Al-4V正交切削试验,并制作了切屑截面的金相观测试样,分析了切屑的特征尺寸随切削参数的变化趋势。采用基于韧性失效的有限元模型对钛合金切屑形成过程进行数值模拟。仿真获得的切削力和切屑形态与试验值吻合较好,验证了模型的有效性。同时,对超高速条件下的钛合金切削过程进行了有限元仿真,预测了超高速条件下的切屑特征尺寸的变化规律。利用钛合金切削仿真结果,分析了锯齿状切屑绝热剪切带中的应力、应变、温度、应变梯度和温度梯度的关系,发现应变对温度、应变梯度对温度梯度具有“同趋势,略滞后”的现象。从微观热、力分析的角度,证明了锯齿状切屑的形成是由于材料沿剪切带的热软化作用大于应变强化作用造成的,为Ti-6Al-4V合金锯齿状切屑形成的热塑性失稳理论提供了新的证据。采用韧性失效材料模型,进行了铝合金2A12微切削过程的有限元仿真,提取了微切削过程的稳态特征,为准确分析微切削机理提供了保障。采用快速响应自更新型热电偶,设计了铝合金微切削测温试验,同时获得了刀尖与工件表面的温度。分析了切削条件对刀尖和工件表面的影响。并采用微切削有限元仿真对切削温度进行预测,预测结果与试验结果吻合较好,并分析了微切削温度与比切削能、刀屑接触状态以及微切削切屑形态的关系。