基于形变补偿、晶体取向及多介质微量润滑的铝合金高速切削残余应力控制机理研究

This Project focuses on the high-speed cutting (HSC) technique for aviation-purpose age-hardening aluminum alloy. Multi-disciplinary crossing theories are applied in the study with advanced software and hardware as technical support; the regression features of aviation-purpose age-hardening aluminum alloy during HSC and the effects of multimedia mixed Minimum Quantity Lubrication (MQL) on cutting-tool wear, cutting heat and HSC residual stress are, based on the deformation compensation and crystal plasticity theories, taken into full consideration in studying the influencing pattern of HSC on the HSC residual stress under the thermal-mechanical coupled field of multimedia mixed MQL; a basic theory on aluminum alloy HSC with multimedia mixed MQL is established and developed. With the deformation compensation technology and based on the crystal plasticity theory which is approved effective in controlling the HSC residual stress of aviation-purpose high-strength aluminum alloy, this study can serve as the theoretical basis for the precise design of HSC tools for the aviation-purpose age-hardening aluminum alloy and the setting of MQL parameters accordingly. In this Project, the effect mechanism on HSC residual stress under the thermal-mechanical coupled effect is mainly studied, and the effect mechanism of crystal eso-models on the HSC residual stress of aviation-purpose age-hardening aluminum alloy under different deformation compensations is probed; in addition, the effect and controlling mechanism of multimedia mixed MQL on age-hardening aluminum alloy during HSC is also studied.

本项目以航空用时效强化铝合金的高速切削技术为研究对象，运用多学科交叉理论和先进的软硬件支撑技术，考虑高速切削过程中航空用时效强化铝合金的回归特性及多介质混合微量润滑对刀具磨损、切削热及高速切削残余应力的影响，开展基于形变补偿、晶体塑性理论和多介质混合微量润滑的热-力耦合场作用下的高速切削对高速切削残余应力的影响规律研究，建立和发展多介质混合微量润滑的铝合金高速切削的基础理论，以及通过形变补偿工艺基于晶体塑性理论的有效控制航空用高强铝合金高速切削残余应力的理论和方法，为航空用时效强化铝合金的高速切削刀具精准化设计和微量润滑参数的制订提供理论依据。主要研究高速切削过程中热-力耦合作用对高速切削残余应力的影响机制；研究高速切削过程中不同形变补偿下的晶体细观模型对航空用时效强化铝合金残余应力的影响机制；研究多介质混合微量润滑对时效强化铝合金的高速切削残余应力的影响机制及控制机理。

本项目针对时效强化铝合金高速切削加工表面质量和残余应力控制等问题，重点考虑了极端环境下（超低温及超高温）切削参数、刀具几何角度及铝合金热处理工艺等多因素耦合作用下的高速切削残余应力生成机理存在较大不同，设计了多介质混合微量润滑的系统设计及多介质的微量润滑的射流控制系统，探究了极端环境下基于形变补偿、晶体取向和多介质混合微量润滑的铝合金高速切削残余应力的控制机理。 .开展了极端环境下干切削、单介质微量润滑切削、多介质混合微量润滑切削实验，探究了切削参数对时效强化铝合金切削加工加工硬化和残余应力的影响规律，探明了环境温度对时效强化铝合金高速切削微量润滑机制的影响规律，形成了形变补偿、晶体取向和多介质混合微量润滑的铝合金高速切削残余应力控制机制。.通过研究表明：相同切削参数的干切削条件下，低温切削的7055铝合金的加工硬化性能最优；相同切削参数的单介质微量润滑切削时，高温切削的7055铝合金的加工硬化特性最优。高温切削的7055铝合金的切削加工残余应力均以残余拉应力形式存在；低温和室温下的7055铝合金的切削加工参与应力均存在残余拉应力和残余压应力。.多介质混合微量润滑条件下，三向切削力与水的射流速度呈现出明显的负相关。低温和室温环境下，7055铝合金的三向切削力与油的射流速度之间呈现出先减小后趋于稳定的特点；高温环境下，油射流速度与三向切削力之间呈现出了负相关关系。低温环境下的残余应力的形式与室温和高温下的残余应力的存在形式表现出明显差异，低温环境下的残余应力的存在形式全部为残余压应力，室温和高温下切削加工表层既存在残余拉应力也存在残余压应力，并且残余压应力一般存在于距离表层一定深度；相同切削条件下，最大残余压应力与水的射流速度呈现出正相关，最大残余拉应力与水的射流速度呈现出负相关，低温切削的最大残余压应力约为高温切削的3倍。.本项目的研究成果对于指导时效强化铝合金切削加工工艺优化和晶体取向预制有着重要的指导意义。