新型PST高温钛铝合金弱刚度曲面切削加工机理与加工过程稳定性时变特征研究

Polysynthetic twinned TiAl (PST TiAl alloy) researched and developed in china can be the ideal aircraft engine hot blade material with excellent mechanical properties in 900℃. However, its poor machinability as a result of high melting point, low elongation at break and thermal conductivity and other material properties limits its application in the aero engine blades. This project will systematically study the cutting mechanism of PST TiAl alloy, the influence of processing vibration on the surface integrity of the weak stiffness components, the working mechanism of the surface quality with the high temperature fatigue characteristics of the components and time-varying stability characteristics and control technology when processing the weak stiffness surface. Eventually to find the solution to these key machining problems. Finally, the mechanism of cutting PST TiAl alloy is to be built. The mechanism of surface integrity formation based on cutting vibration and its influence mechanism on high temperature fatigue properties will be built as well. Method on controlling cutting vibration based on the selection of cutting parameters and the adaptive matching of the machining area with time-varying characteristics will be proposed. The result of this research will provides technical support for the application of PST TiAl alloy materials on aircraft engine blades.

我国研发的使用温度能达到900℃以上的新型高温PST钛铝合金具有优良的高温力学性能而成为理想的航空发动机热端叶片材料，但因高熔点、低断裂延伸率及导热率等材料特性导致可切削加工性差而限制了其在叶片上应用。本项目系统研究PST钛铝合金的切削加工机理、弱刚度构件加工振动对其表面完整性的影响、加工表面质量与构件高温疲劳特性作用机制和弱刚度曲面加工过程稳定性时变特征与控制等方面，拟解决新型PST钛铝合金材料的切削加工机理、弱刚度曲面加工表面完整性形成机理及其对高温疲劳特性影响以及精加工过程稳定性控制技术等关键科学问题。最终揭示一种新型PST钛铝合金材料的切削加工机理，并提出基于切削振动的PST钛铝合金弱刚度曲面加工表面完整性形成机理及其与高温疲劳特性的作用机制以及具有时变特征的基于切削参数选择和加工区域自适应匹配的加工过程稳定性控制方法，为新型PST钛铝合金材料在航空发动机叶片上应用提供技术支持。

钛铝合金由于优异的高温性能成为制造航空发动机热端低压零部件的理想材料之一。项目针对钛铝合金难加工特点和服役环境，系统研究了钛铝合金切削加工机理、加工表面质量对力学性能的影响以及弱刚度件加工工艺等方面内容，得出主要结论如下：.（1）研究了切屑形成、切削力和刀具磨损在不同切削条件下的变化规律。随着切削参数的降低，切屑由崩碎切屑变为带状切屑；建立了钛铝合金切削力模型，能准确反映切削力变化；硬质合金刀具的磨损机制为粘结磨损、氧化磨损和扩散磨损；研制了切削钛铝合金的超细晶硬质合金刀具，与商用刀具相比具有更好的切削性能。.（2）研究了切削条件对钛铝合金表面完整性的影响，提出了一种弱刚度件表面形貌预测方法。考虑表面质量（0.093μm≤Ra≤0.32μm）的精加工铣削参数为vc=40-120m/min、ap=0.05-0.2mm和fz=0.005-0.02mm/z；弱刚度件表面粗糙度较优时的铣削参数为n=3000r/min、fz=0.005mm/z、ap=0.05mm和p=0.015mm。.（3）加工表面粗糙度对钛铝合金疲劳性能有显著性影响，表面粗糙度值越低，生成主裂纹的时间越长且数量越少，提高了条件疲劳强度；主裂纹一旦形成后迅速扩展造成试样瞬间断裂失效，材料损伤容限性低，得到拉伸疲劳强度设计依据约为0.65σb；对于钛铝合金叶片，表面加工质量和缺陷要严格控制从而提高其使用可靠性。.（4）研究了钛铝合金弱刚度件加工稳定性控制方法。基于三阶牛顿插值多项式和精细时间积分法，提出了一种具有更高计算精度和效率的铣削稳定性预测高阶半离散方法，获得了稳定性叶瓣图，实现了钛铝合金弱刚度件切削振动控制。.（5）提出了一种弱刚度件离散余量单元分配策略，有效地减小了加工变形，加工误差仅为均匀余量的37.41%；建立了切削加工稳定条件下的钛铝合金弱刚度曲面加工参数优化模型，优化的铣削参数为n=4250r/min、fz=0.274mm/z、ap=0.852mm、p=0.121mm，最终实现了钛铝合金弱刚度曲面的高效率、高质量制造。研究结果为我国高性能航空发动机叶片材料的研制提供了技术支持，对提高我国航空发动机性能具有重要的理论意义和实际应用价值。