基于材料动态力学的钛合金微量润滑铣削残余应力生成机理及预测模型研究

The surface crack propagation of titanium alloy can be inhibited or accelerated by the milling surface residual stress, which will affect the dimensional accuracy and fatigue life of the machined components. To predict the residual stress more accurately is one of the key issue to ensure the serviceability of the parts. The proposed proposal studies the mechanism and prediction method of residual stress in MQL machinig of titanium alloy based on the dynamic mechanical behavior of materials under high temperature and high strain and high strain rate conditions. The boundary lubrictaion theory and the forced convection model are proposed to establish the quantitative relationship among the MQL parameters, friction coefficient, and the heat transfer coefficient, which reveals the cooling and lubrication mechanism of MQL. The relationship between the dynamic recrystallization softening effect and the thermal-mechanical load of the titanium alloy was revealed by the dynamic mechanical test of the titanium alloy. Based on the self-consistent model of HCP polycrystalline materials, the mechanism of plastic deformation of titanium alloy under the thermal-mechanical load is revealed, then the residual stress prediction model of titanium alloy milling is established. This project will give support for the prediction and control of residual stress and the control of process parameters in the milling surface of titanium alloy parts. The theory and prediction method of residual stress in MQL milling of titanium will be enriched and developed to meet the demands of green and high precision machining of titanium alloy parts in aerospace field. The proposed research project is of great significance in theory and practical value in engineering.

钛合金铣削加工表面残余应力能抑制或加速表面裂纹扩展，影响零件的尺寸精度和疲劳寿命，准确预测钛合金铣削表面残余应力是确保零件使役特性的关键之一。本项目基于高温高应变高应变率条件下材料的动态力学行为，研究微量润滑铣削残余应力生成机理及预测方法。基于边界润滑和强迫对流传热理论，建立微量润滑参数和铣削过程中换热系数及摩擦系数间的定量关系模型，揭示微量润滑铣削过程中的降热减摩机制；通过钛合金材料的高温动态力学试验，揭示微量润滑环境下钛合金动态再结晶软化效应与铣削力热载荷之间的映射关系；基于HCP多晶体材料弹粘塑性自洽模型，揭示铣削力热载荷下钛合金塑性变形机理，构建钛合金铣削残余应力预测模型。本项目研究成果为钛合金零件铣削表面残余应力精确预测和工艺参数控制提供理论基础，充实和发展微量润滑铣削残余应力建模理论和方法，满足航空航天领域对钛合金零件的绿色高精度加工需求，具有重要的理论意义和工程应用价值。

钛合金铣削加工表面残余应力直接影响零件的尺寸精度和疲劳寿命。微量润滑（Minimum Quantity Lubrication, MQL）技术通过在切削区域喷射高压油雾混合物，可显著降低切削过程中的温度和切削力，从而影响加工件表面的残余应力分布，改善钛合金加工表面质量。针对钛合金难加工材料加工表面应力不可控难题，本项目提出了基于微量润滑的钛合金铣削加工表面残余应力预测方法，并通过实验对预测模型进行验证。. （1）首先对MQL铣削环境下的降热减摩机理进行了研究。研究了MQL的渗透机理，分析了MQL切削液流量和气体压力对切削过程中切削力和切削温度的影响。通过对MQL加工中的切削液流量分析研究，提出了MQL铣削加工过程中摩擦系数的计算方法；通过对MQL加工过程中切削液和切削加工表面之间的对流分析，建立MQL环境下的传热系数计算模型。. （2）通过钛合金材料的热压缩实验，研究了钛合金在高温高应变率下的动态力学响应。分析了不同力载荷和热载荷作用下钛合金的流动应力，探究了钛合金材料动态力学行为特性和材料流动应力之间的映射规律。在此基础上进行了钛合金MQL铣削加工实验，测量铣削加工过程中的切削力和切削温度，验证钛合金流动应力预测模型的可行性。. （3）研究了钛合金MQL铣削加工条件下工件表面的应力应变分布。运用赫兹滚滑动接触理论，提出了工件内由于机械载荷和热载荷产生的应力分布计算方法。通过坐标系转换，将剪切区域的力热载荷产生的应力分布和刀尖圆角区域力热载荷产生的应力分布相结合，得出力热载荷与钛合金加工表面应力分布之间的映射规律。. （4）建立了钛合金铣削加工表面残余应力预测模型并实验验证。通过对钛合金在铣削加工过程中的弹粘塑性特性进行分析，构建钛合金MQL铣削残余应力预测模型。通过对Ti-6Al-4V进行MQL铣削加工实验，采用X射线衍射法测量铣削加工表面沿层深方向的应力分布，发现预测值和实验测量值误差控制在20%以内。. 本项目对微量润滑钛合金铣削加工方法、改善难加工材料的加工表面质量等方面具有重要意义。