深冷处理-滚磨光整加工协同改善钛合金表面质量的机理研究

The milling method is the main way for the batch production of typical titanium (Ti) alloy parts of aeroengine. After machining, the surface roughness of Ti alloy is difficult to meet the requirements of design and application. Barrel finishing has the advantages of low cost, high efficiency and strong adaptability, and is an effective way to improve the surface quality in mass production. The exploratory experimental results show that the cryogenic treated Ti alloys can efficiently obtain better surface quality after the barrel finishing operation. The project intends to use Ti-6Al-4V alloy as the research object. The experimental investigation on the effect of cryogenic treatment on the microstructure and surface mechanical properties of Ti alloy by using the surface characterization techniques. The wear model between the cryogenic treated workpiece and abrasive during the barrel finishing process is constructed, combining EDEM stimulation and experimental methods. The relationship between the barrel finishing parameters that match with the surface mechanical properties of the cryogenic treated workpiece and the processing results is investigated. The effect of the change in interaction forces and relative velocities between the workpiece and abrasive on the surface roughness and wear mechanism of specimen are illustrated. The mechanism of surface quality improvement of Ti alloy induced by cryogenic treatment and barrel finishing is determined theoretically. The engineering implementation can not only enrich the precision machining technology of Ti alloy, but also can be used for reference to the manufacture of high end parts.

航空发动机典型钛合金件的批量生产以铣削为主，其加工后的表面粗糙度难以直接达到设计及使用要求。滚磨光整加工具有成本低、效率高、适应性强等优点，是批量生产中提高表面质量的有效途径。探索性实验结果表明，钛合金试件经深冷处理后再进行滚磨光整加工，可以高效获得更好的表面质量。项目以最常用的Ti-6Al-4V钛合金为研究对象，基于材料表面微观表征技术，探索深冷处理工艺对钛合金显微组织和表面力学性能的影响规律；通过EDEM仿真和试验研究，构建滚磨光整加工中深冷处理工件和磨块间的摩擦磨损模型，阐明与深冷处理工件表面力学性能相匹配的滚磨工艺参数和加工效果之间的关系；揭示深冷处理工件和磨块之间作用力和相对运动速度的变化对样品表面粗糙度和摩擦磨损机理的影响，从理论上综合探明深冷处理与滚磨光整加工协同提高钛合金表面质量的机理。工程化实施既可丰富钛合金精密加工技术，又能借鉴推广到相关高端零件制造领域。

针对批量生产中航空发动机典型钛合金件的表面粗糙度难以直接达到设计及使用要求的问题，构思并提出了先通过深冷处理的方式改变材料表面的理化性质，且不明显改变零件服役性能的基础上，再进行滚磨光整加工的新思路，以达到高效、高质量提高钛合金零件表面质量的目的。项目执行期间研究了深冷处理对TC4钛合显微组织和力学性能的影响，揭示了深冷处理前后钛合金在低载荷条件下及在干式和湿式磨损条件下的磨损特征，并研究了具有不同理化性能的磨块对深冷处理TC4钛合金的摩擦磨损特性的影响，探讨了多种磨块用于加工钛合金的可行性。在掌握了深冷处理对TC4钛合金表面组织与性能影响的基础上，对深冷前后的TC4钛合金进行相同加工条件的离心滚磨光整加工，并结合EDEM离散元模拟仿真，阐明了深冷处理能提高TC4钛合金滚磨光整加工性能的机理。研究结果显示，深冷预处理后工件的力学性能发生改变，包括显微硬度，弹性模量、塑性和耐磨性等。深冷预处理时间为11h时对工件的滚磨光整加工最为有利，加工时间为30min，表面粗糙度达到0.245um。在加工过程中，磨块与工件的主要作用力是滚压和碰撞，深冷处理后表面力学性能的改变使得工件更易滚磨加工，表面粗糙度得到进一步降低。研究成果初步在一些钛合金零件上进行了尝试应用，效果较好，但距离实际应用还有很长的路要走。此外，还研究了深冷处理对K6509合金显微组织和滚磨光整加工性能的影响，同时也证明了深冷处理可以不同程度提高多种合金的滚磨光整加工效果。项目的实施证明了，深冷处理结合滚磨光整加工这一新思路可以服务于多种材料、多种零件的表面质量提升工程，对提高我国高端基础件的制造水平有一定的积极作用。