不同冷却条件下钛铝合金切削加工材料去除机理和加工表面完整性

doi:10.7527/S1000-6893.2023.29471

航空发动机高性能制造专栏

本期目录 | 过刊浏览 | 高级检索

前一篇 | 后一篇

不同冷却条件下钛铝合金切削加工材料去除机理和加工表面完整性

王相宇, 王锦辉, 仇文豪, 牛金涛, 付秀丽, 乔阳()

济南大学机械工程学院，济南 250022

收稿日期:2023-08-23 修回日期:2023-09-21 接受日期:2023-10-04 出版日期:2024-07-15 发布日期:2023-12-21
通讯作者: 乔阳 E-mail:me_qiaoy@ujn.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(52005215);山东省高等学校科技计划(2019KJB021)

Material removal mechanism and surface integrity of cutting titanium aluminum alloy under different cooling conditions

Xiangyu WANG, Jinhui WANG, Wenhao QIU, Jintao NIU, Xiuli FU, Yang QIAO()

School of Mechanical Engineering，University of Jinan，Jinan 250022，China

Received:2023-08-23 Revised:2023-09-21 Accepted:2023-10-04 Online:2024-07-15 Published:2023-12-21
Contact: Yang QIAO E-mail:me_qiaoy@ujn.edu.cn
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(52005215);Shandong Province Higher Education Science and Technology Plan(2019KJB021)

摘要/Abstract

摘要：

钛铝合金具有密度小、强度高、抗高温蠕变与抗氧化能力强等优势，在航天航空工业的应用前景广阔。但由于材料导热性能差、加工硬化严重、低温脆性，在切削加工中切削温度高，导致切削加工效率低、刀具寿命低和表面完整性差，限制了材料的应用推广。针对钛铝合金切削温度高的问题，基于其力学性能对温度敏感的特性，在钛铝合金Ti-48Al-2Cr-2Nb材料力学性能、材料去除机理和切削加工表面完整性等方面开展了研究工作。通过霍普金森冲击剪切试验研究了材料在不同温度下的动态失效行为和断裂机理；通过有限元仿真和试验研究了不同冷却条件和切削参数下直角车削的切屑形貌及其形态演化，分析了材料去除机理；对材料进行了3种冷却条件下的端面车削试验，分析了表面粗糙度的变化规律；结合材料的断裂机理和片层组织断裂形式，揭示了微凹坑与微裂纹等表面缺陷的形成原因；结合切削力与切削温度分析了加工硬化程度与硬化层深度，揭示了硬度的变化原因。

关键词: 冷却条件, 切削温度, 钛铝合金, 表面完整性, 材料去除机理

Abstract:

Titanium aluminum alloy has such advantages as low density， high strength， good high-temperature creep resistance and oxidation resistance， and has broad application prospects in the aerospace industry. However， due to the poor thermal conductivity， severe work hardening， and low-temperature brittleness of the material， the high cutting temperature during the cutting processing leads to low machining efficiency， low tool life， and poor surface integrity， which limits the application promotion of this material. this paper Focusing on the problem of high cutting temperature of titanium aluminum alloy， and based on its temperature sensitive mechanical properties， this paper investigates the mechanical properties， material removal mechanism， and surface integrity of titanium aluminum alloy Ti-48Al-2Cr-2Nb material. The dynamic failure behavior and fracture mechanism of the material at different temperatures are studied through Hopkinson impact shear tests. The chip morphology and morphology evolution under different cooling conditions and cutting parameters are simulated through finite element simulation. Face turning experiments are conducted under three different cooling environments， and the changing rule of surface roughness is analyzed. Combining the fracture mechanism of the material and the fracture form of the lamellar structure， the formation mechanisms of micro pits and microcracks are revealed. The degree of work hardening and the depth of the hardened layer are analyzed by combining cutting force and cutting temperature， revealing the changing rule of hardness.

Key words: cooling conditions, cutting temperature, titanium aluminum alloy, surface integrity, material removal mechanism

中图分类号:

V261.2

王相宇, 王锦辉, 仇文豪, 牛金涛, 付秀丽, 乔阳. 不同冷却条件下钛铝合金切削加工材料去除机理和加工表面完整性[J]. 航空学报, 2024, 45(13): 629471-629471.

Xiangyu WANG, Jinhui WANG, Wenhao QIU, Jintao NIU, Xiuli FU, Yang QIAO. Material removal mechanism and surface integrity of cutting titanium aluminum alloy under different cooling conditions[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(13): 629471-629471.

图/表 36

图 1

图 2

表 1

表 2

表 3

表 4

表 5

表 6

图 3

表 7

表 8

表 9

图 4

表 10

图 5

图 6

图 7

图 8

图 9

图 10

图 11

图 12

图 13

图 14

表 11

图 15

图 16

图 17

图 18

图 19

图 20

图 21

图 22

图 23

图 24

图 25

参考文献 27

1	BEWLAY B P， WEIMER M， KELLY T， et al. The science， technology， and implementation of TiAl alloys in commercial aircraft engines［J］. MRS Online Proceedings Library （OPL）， 2013， 1516（5）： 49-58.
2	KOTHARI K， RADHAKRISHNAN R， WERELEY N M. Advances in gamma titanium aluminides and their manufacturing techniques［J］. Progress in Aerospace Sciences， 2012， 55（1）： 1-16.
3	HOOD R， ASPINWALL D K， VOICE W. Creep feed grinding of γ-TiAl using single layer electroplated diamond superabrasive wheels［J］. CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology， 2015， 11（3）： 36-44.
4	XIA Z W， SHAN C W， ZHANG M H， et al. Machinability of γ-TiAl： a review［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2023， 36（7）： 40-75.
5	BERANOAGIRRE A， LÓPEZ DE LACALLE L N. Optimizing the turning of titanium aluminum alloys ［J］. Advanced Materials Research， 2012， 498： 189-194
6	CHENG Y， YUAN Q， ZHANG B， et al. Student on turning force of γ-TiAl alloy ［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2019， 105（1）： 2393-2402
7	PRIARONE P C， RIZZUTI S， SETTINERI L， et al. Effects of cutting angle， edge preparation， and nano structured coating on mill performance of a gamma titanium aluminum ［J］. Journal of Materials Processing Technology， 2012， 212（12）： 2619-2628
8	周丽，崔超，贾清，等. γ-TiAl金属间化合物铣削加工实验与有限元模拟［J］. 金属学报， 2017， 53（4）： 505-512.
	ZHOU L， CUI C， JIA Q， et al. Experimental and finite element simulation of milling process for γ-TiAl intermetallics［J］. Acta Metallurgica Sinica， 2017， 53（4）： 505-512 （in Chinese）.
9	MANTLE A L， ASPINWALL D K. Surface integrity of a high speed milled gamma titanium aluminide［J］. Journal of Materials Processing Technology， 2001， 118（1）： 143-150.
10	PRIARONE P C， RIZZUTI S， ROTELLA G， et al. Tool wear and surface quality in milling of a gamma-TiAl intermetallic［J］. International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2012， 61（1-4）： 25-33.
11	SIMAO J， ASPINWALL D K， DEWES R C， et al. High-speed milling and surface grinding of an orthorhombic TiAl alloy Ti-23Al-25Nb［J］. PubliCAT， 2004， 5（3）： 25-28.
12	乔帆，任斐，刘晓，等. 难加工材料超低温切削的切屑形貌研究［J］. 机械制造， 2018， 56（6）： 63-66.
	QIAO F， REN F， LIU X， et al. Research on chip morphology in ultra-low temperature cutting of difficult to machine materials ［J］. Mechanical Manufacturing， 2018， 56 （6）： 63-66 （in Chinese）.
13	杨政．近片层组织TiAl脆韧转变行为研究［D］. 合肥：合肥工业大学， 2014
	YANG Z. Study on the brittle ductile transition behavior of TiAl near lamellar structure ［D］. Hefei： Hefei University of Technology， 2014 （in Chinese）.
14	UHLMANN E， HERTER S. Studies on conventional cutting of intermetallic nickel and titanium aluminides［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part B： Journal of Engineering Manufacture， 2006， 220（9）： 1391-1398.
15	HOOD R， ASPINWALL D K， SAGE C， et al. High speed ball nose end milling of γ-TiAl alloys［J］. Intermetallics， 2013， 32： 284-291.
16	ASPINWALL D K， MANTLE A L， CHAN W K， et al. Cutting temperatures when ball nose end milling γ-TiAl intermetallic alloys［J］. CIRP Annals， 2013， 62（1）： 75-78.
17	KLOCKE F， LUNG D， ARFT M. On high-speed turning of a third-generation gamma titanium aluminide［J］. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2013， 65（1）： 155-163.
18	仇文豪，林琪超，王相宇，等. 薄膜热电偶测温刀具研究现状［J］. 工具技术， 2022， 56（8）： 3-10.
	QIU W H， LIN Q C， WANG X Y， et al. Research status of thin film thermocouple temperature measuring tools ［J］. Tool Technology， 2022， 56（8）： 3-10 （in Chinese）.
19	刘其涛. Ti48Al2Cr2Nb合金铸件应力和变形的数值模拟研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2013.
	LIU Q T. Research on numerical simulation of stress and deformation of Ti48Al2Cr2Nb alloy castings［D］. Harbin： Harbin Institute of Technology， 2013 （in Chinese）.
20	BOLDYREV I S， SHCHUROV I A， NIKONOV A V. Numerical simulation of the aluminum 6061-T6 cutting and the effect of the constitutive material model and failure criteria on cutting forces’ prediction［J］. Procedia Engineering， 2016， 150： 866-870.
21	岳彩旭. 金属切削过程有限元仿真技术［M］. 北京：科学出版社， 2017.
	YUE C X. Finite element simulation technology of metal cutting process［M］. Beijing： Science Press， 2017 （in Chinese）.
22	XU X， ZHANG J， OUTEIRO J， et al. Multiscale simulation of grain refinement induced by dynamic recrystallization of Ti6Al4V alloy during high speed machining［J］. Journal of Materials Processing Technology， 2020， 286：116834.
23	刘文韬，刘战强. 钛合金Ti-6Al-4V高压冷却车削过程有限元分析［J］. 现代制造工程， 2018（10）： 44-50.
	LIU W T， LIU Z Q. Finite element analysis of turning Ti-6Al-4V under high-pressure coolant［J］. Modern Manufacturing Engineering， 2018（10）： 44-50 （in Chinese）.
24	王兵. 高速切削材料变形及断裂行为对切屑形成的影响机理研究［D］. 济南：山东大学， 2016.
	WANG B. Research on the mechanism of the influence of deformation and fracture behavior of high speed cutting materials on chip formation ［D］. Jinan： Shandong University， 2016 （in Chinese）.
25	武文革，成云平，刘丽娟，等. 金属切削原理及刀具［M］. 北京：电子工业出版社， 2019.
	WU W G， CHENG Y P， LIU L J， et al. principles of metal cutting and cutting tools ［M］. Beijing： Electronic Industry Press， 2019 （in Chinese）.
26	苏国胜. 高速切削锯齿形切屑形成过程与形成机理研究［D］. 济南：山东大学， 2011.
	SU G S. Research on the formation process and mechanism of serrated chips in high-speed cutting ［D］. Jinan： Shandong University， 2011 （in Chinese）.
27	张红艳. 不同冷却策略下钛合金Ti-5553切屑卷曲与切屑形态研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨理工大学， 2020.
	ZHANG H Y. Research on chip curling and chip morphology of titanium alloy Ti-5553 under different cooling strategies ［D］. Harbin： Harbin University of Science and Technology， 2020 （in Chinese）.

E-mail：hkxb@buaa.edu.cn

关于我们

期刊社服务

专业学科

封面文章

友情链接

主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

冷却条件	干切削	乳化液冷却	液氮冷却
摩擦系数	0.6	0.4	0.2
初始温度/℃	20	20	-196

参数	数值
进给量/（mm·r^-1）	0.1
切削速度/（m·min^-1）	60/90/120/150/180
切宽/mm	2
冷却条件	干切削，乳化液冷却切削，液氮冷却切削
喷嘴直径/mm	3

参数	数值
进给量/（mm·r^-1）	0.1
切削速度/（m·min^-1）	60/90/120/150/180/210
切削深度/mm	0.2
冷却条件	干切削，乳化液冷却切削，液氮冷却切削
喷嘴直径/mm	3

切削速度/（m·min^-1）	冷却条件
切削速度/（m·min^-1）	干切削	乳化液冷却切削	液氮冷却切削
60
90
120
150
180

[1]	李秀红, 王兴富, 李文辉, 陈海滨, 杨胜强. 航发关重件形性协同滚抛工艺研究进展[J]. 航空学报, 2024, 45(13): 629860-629860.
[2]	张全利, 储成龙, 翟健超, 王昱凯, 张振, 徐九华. 紫外纳秒脉冲激光烧蚀单晶硅表面特征创成机制[J]. 航空学报, 2022, 43(4): 525341-525341.
[3]	彭振龙, 张翔宇, 张德远. 航空航天难加工材料高速超声波动式切削方法[J]. 航空学报, 2022, 43(4): 525587-525587.
[4]	王茂松, 杜宇雷. 增材制造钛铝合金研究进展[J]. 航空学报, 2021, 42(7): 625263-625263.
[5]	赵波, 姜燕, 别文博. 超声滚压技术在表面强化中的研究与应用进展[J]. 航空学报, 2020, 41(10): 23685-023685.
[6]	黄云, 肖贵坚, 邹莱. 航空发动机叶片机器人精密砂带磨削研究现状及发展趋势[J]. 航空学报, 2019, 40(3): 22508-022508.
[7]	杜随更, 汪志斌, 吕超, 巨江涛, 张静. 高温合金高速铣削表面形貌及组织研究[J]. 航空学报, 2011, 32(6): 1156-1163.
[8]	杜随更;吕超;任军学;杨振朝. 钛合金TC4高速铣削表面形貌及表层组织研究[J]. 航空学报, 2008, 30(6): 1710-1715.
[9]	张永刚;陈昌麒. 钛铝金属间化合物基合金中的孪生与孪生交互作用[J]. 航空学报, 2000, 21(S1): 51-55.
[10]	黄奇;任敬心;张钧澄. 加工表面完整性对GH33A高低周疲劳寿命的影响[J]. 航空学报, 1991, 12(10): 528-531.
[11]	王威廉;荆长生. 难加工材料缓进给磨削加工表面完整性的试验研究[J]. 航空学报, 1989, 10(6): 315-323.

不同冷却条件下钛铝合金切削加工材料去除机理和加工表面完整性

Material removal mechanism and surface integrity of cutting titanium aluminum alloy under different cooling conditions

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 36

参考文献 27

相关文章 11

编辑推荐

Metrics

本文评价