钛合金盘铣高效开槽加工基础研究

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1、学校代码10699分类号TH161.1密级学号2012100086题目钛合金盘铣高效开槽加工基础研究作者辛红敏学科、专业机械电子工程指导教师史耀耀申请学位日期2016年12月摘要西北工业大学博士学位论文（学位研究生）题目：钛合金盘铣高效开槽加工基础研究作者：辛红敏学科专业：机械电子工程指导教师：史耀耀2016年12月2Title:FundamentalresearchondiscmillinggroovingoftitaniumalloywithhighefficiencyByXinHong-minUndertheSupervisionofProfessorShiYao-y

2、aoADissertationSubmittedtoNorthwesternPolytechnicalUniversityInpartialfulfillmentoftherequirementForthedegreeofDoctorofmechatronicsengineeringXi’anP.R.ChinaDecember2016摘要摘要钛合金具有比强度高、热强度高、抗腐蚀性好、高温性能好等特点，已广泛应用于航空航天领域，如整体叶盘、压气机叶片等，但其变形系数小、切削力大、切削温度高等特性，又为切削加工带来一定困难。整体叶盘是航空发动机的关键零部件，其通道深而窄、开敞性

3、差，通道粗加工余量占总加工余量的90%以上。目前常用的通道粗加工方法有线切割法、水射流法、电解加工、电火花加工及数控铣削等。其中数控铣削以铣削效率高、性能稳定成为主流的加工方法。目前数控铣削高度依赖高精度和高成本的进口五轴数控机床，造成整体叶盘的加工成本居高不下；而且数控铣削利用细长的球头铣刀进行插铣和侧铣加工，导致整体叶盘加工周期长、效率低，且加工过程中刀具振动剧烈，易产生崩刃，耐用度降低。因此探索新工艺和相应设备来提高整体叶盘开槽加工的效率，对推动我国航空发动机产业的发展具有重要意义。本文的研究内容源自国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”课题：航空发动机整体叶

4、盘高效强力复合数控铣床开发及应用（项目编号：2013ZX04001081），课题提出一种整体叶盘高效开槽加工的新思路和新方法：盘铣高效开槽粗加工。针对钛合金难加工材料的特性及盘铣高效开槽粗加工过程中铣削力大、铣削温度高、表面塑性变形明显、刀具磨损严重等问题开展了深入地研究，主要的研究内容及成果如下：1.热力耦合作用对盘铣高效开槽加工表面变质层的影响机理盘铣高效开槽加工是粗加工，切削深度大、切削速度低，刀具直径大，属于典型的断续切削，钛合金又是难切削加工材料，所以铣削过程中会产生较大的铣削力和较高的铣削温度，进而在已加工表面形成较深的塑性变形层，对半精加工造成众多不良影响。为

5、了研究热力耦合作用对盘铣高效开槽加工表面变质层的影响机理，设计单因素实验，采用三向压电式动态测力仪和半人工热电偶，分别测量盘铣高效开槽加工过程中的铣削力和铣削温度，以此为基础分析已加工表面及次表面的变化特征，包括表面缺陷、表面显微组织变化、表层显微硬度及分布规律、表层残余应力及分布规律。2.盘铣高效开槽加工刀具磨损首先采用表面质量测量仪，电子扫描显微镜对刀具的破损形貌及磨损形貌进行观察，利用能谱分析研究盘铣刀的磨损机理，然后根据后刀面磨损增长量绘制刀具寿命曲线，最后采用灰色系统理论建立盘铣刀寿命预测模型，以后刀面磨损增长量为例进行盘铣刀寿命预测研究。3.盘铣高效开槽加工工艺

6、参数优化以灰色系统理论为基础进行盘铣高效开槽加工工艺参数优化研究。以材料去除率、刀具寿命和残余应力层厚度为优化目标，进行多目标优化。通过主成分分析计算加权灰I摘要色关联度，并建立关于工艺参数与灰色关联度的优化模型；利用优化后的工艺参数进行盘铣高效开槽加工对比试验，以验证该方法的可靠性。4.盘铣刀具结构优化设计及试验验证针对盘铣高效开槽加工刀具磨损研究中出现的问题，选取X航空发动机1~6级压气机盘为加工对象，开展盘铣刀结构优化设计。首先分析整体叶盘的通道特征，以最大限度切除通道粗加工余量为原则，规划盘铣的可加工区域，然后对盘铣刀的结构（几何尺寸、刀具齿数、容屑槽尺寸、刀具角度

7、、刀体材料）进行设计，除此之外还确定了盘铣刀与主轴头的装夹结构和刀片的夹紧方式；最后以整体叶盘高效强力复合数控铣削机床为实验平台，采用结构优化后的盘铣刀进行X型航空发动机2级压气机盘盘铣高效开槽加工试验,以验证整体叶盘盘铣开槽加工的可行性、高效性，并观察刀具的磨损行为，根据后刀面磨损增长量绘制刀具磨损曲线，分析刀具寿命。关键词：盘铣开槽，整体叶盘，变质层，刀具磨损，参数优化本研究得到“高档数控机床与基础制造装备科技重大专项”，项目名称“航空发动机整体叶盘高效强力复合数控铣床开发及应用”(课题编号：2013ZX040