CN106001716A

CN106001716A - 一种提升铝锂合金工件切削表面完整性的方法

Info

Publication number: CN106001716A
Application number: CN201610463511.6A
Authority: CN
Inventors: 陈立; 袁益楚; 许言午; 黄信达; 张烘州; 张小明; 丁汉
Original assignee: Commercial Aircraft Corp of China Ltd; Shanghai Aircraft Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Commercial Aircraft Corp of China Ltd; Shanghai Aircraft Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2016-06-23
Publication date: 2016-10-12

Abstract

本发明提供一种提升铝锂合金工件切削表面完整性的方法，包括步骤：(1)获得刀具系统几何参数，选择加工参数范围；(2)制定正交试验表；(3)依照所制定的正交试验表依次在干切条件下和液氮冷却条件下进行切削；(4)测量干切条件下和液氮冷却条件下切削后的铝锂合金工件切削表面完整性参数；以及(5)分析并测试完整性参数，确定优化的加工参数。

Description

一种提升铝锂合金工件切削表面完整性的方法

技术领域

本发明属于金属切削加工技术领域。特别地，本发明涉及一种提升铝锂合金工件切削表面完整性的方法，尤其涉及考虑了液氮极端冷却条件下的铝锂合金表面完整性中的微观形貌以及残余应力的影响规律，提出工艺参数的优选方案。

背景技术

铝锂合金优良的低密度、高比强度、高比刚度等特性使得其成为新一代的航空航天飞行器的主要结构材料。飞机蒙皮作为维持飞机外形的主要结构件，在飞机起飞降落过程中将要承受舱内外压差的变化所引起的交变载荷的作用，因此对于蒙皮结构零件的疲劳强度要求十分苛刻。零件的疲劳裂纹萌生往往是从表面的微观缺陷开始，并且表层以及亚表层的力学状态将影响裂纹萌生以及扩展速度。表面完整性包括表面的几何轮廓、显微硬度、金相组织、残余应力等，这些因素综合影响着零件的疲劳性能。以往对于铝锂合金的相关减薄工艺，往往是采用化学铣削的方法进行。这种方法占用厂房面积大，污染严重，废液处理费用高等，不符合现代可持续绿色制造的理念。

目前对于铝锂合金的超塑成形工艺研究较多，却鲜见有相关铝锂合金切削表面完整性方面的相关研究。这里研究在干切情况与液氮冷却情况下切削三要素以及上一道滚压工艺对于表面完整性的影响，通过正交试验的方法全面考察了工艺参数对于表面形貌各个指标、表层亚表层金相组织以及残余应力的影响权重，并且验证了其显著性。比较了干切与液氮低温切削情况下表面形貌以及残余应力状态的异同点，验证了液氮冷却切削对于铝锂合金表面完整性提升的有效性，为提高铝锂合金疲劳性能提供了实验依据。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的缺陷，提供一种提升铝锂合金工件切削表面完整性的方法，能获取安全可靠的工艺参数，实现高品质薄壁零件的精密、高效加工。

为实现这一目的，本发明对干切情况下选择了转速、切深、进给、夹角作为主要因素，首先在进行了空冷切削情况下铝锂合金的表面形貌以及表层残余应力测量，然后进行了液氮冷却情况下的形貌以及残余应力测量，最后通过平均响应趋势分析的方法得出了优选参数方案。

根据本发明的技术方案，提升铝锂合金工件切削表面完整性的方法包括步骤：

(1)获得刀具系统几何参数，选择加工参数范围；

(2)制定正交试验表；

(3)依照所制定的正交试验表依次在干切条件下和液氮冷却条件下进行切削；

(4)测量干切条件下和液氮冷却条件下切削后的铝锂合金工件切削表面完整性参数；以及

(5)分析并测试完整性参数，确定优化的加工参数。

其中，在步骤(1)中，根据刀具系统几何参数查阅手册选定加工参数范围。

其中，在步骤(2)中，采用五水平四因素的正交试验设计。

其中，在步骤(3)中，采用100mm面铣刀PCD刀片在干切条件下和液氮冷却条件下进行切削。

在步骤(4)中，分别测量并记录在干切条件下和液氮冷却条件下切削所得的线粗糙度(Line Roughness，简称“Line Ra”)、线粗糙度曲线偏度(Line Roughness Skewnes，简称“Line Rsk”)、面粗糙度(Face Roughness，简称“Face Ra”)、面粗糙度曲线偏度(FaceRoughness Skewness，简称“Face Rsk”)和表面残余应力(Residual Stress，符号为“σr”)。

其中，在步骤(5)中，对所测得的完整性参数进行方差分析，进行显著性水平检验，判定各因素的影响大小次序，寻找对于各个目标参数影响最显著的因素；对所测得的完整性参数进行直观分析，观察目标参数随着因素水平的变化趋势，并将在干切条件下和在液氮冷却条件下切削工况的相应变化趋势、均值大小进行横向对比，得出液氮冷却条件下表面完整性受各因素影响的特点；分别按照线粗糙度(Line Ra)和面粗糙度(Face Ra)最小、线粗糙度曲线偏度(Line Rsk)和面粗糙度曲线偏度(Face Rsk)最大、表面残余压应力(σr)最大的优化准则，进行切削参数的最优组的选取。

由于本发明在考虑了干切条件下转速、切深、进给、进给方向与滚压方向夹角对于铝锂合金表面完整性的影响的同时，对比考虑了液氮冷却条件下的相应影响，分别建立了加工工艺参数与表面完整性的映射关系，基于真实的加工状况优选加工参数，从而达到合理选择加工工艺参数的目的。

本发明的技术方案具有如下有益效果：

(1)改化铣为机铣，有利于控制污染、提高效率、降低加工成本；

(2)综合考虑了粗糙度Ra与粗糙度曲线偏度Rsk指标，采用双指标方式分析零件的抗疲劳性能，为全面考察表面形貌对疲劳性能的影响打下了基础。

(3)考虑了干切与液氮冷却工况下各因素的影响，验证了液氮冷却切削对于铝锂合金表面完整性提升的有效性，更有利于选取加工参数的最优组。

具体实施方式

示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其它实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。

本发明实施例采用的切削系统实验装置选取聚晶金刚石面铣刀为加工刀具，该刀具装夹在MikronUCP800五轴机床上。具体步骤为：

1、查得该刀具的几何参数为：刀柄直径100mm；径向前角10°，轴向前角为5°，刀具材料为聚晶金刚石(PCD)。选取工艺参数范围如表1中水平V至水平I。

2、采用五水平四因素的正交试验设计。以转速、切深、进给、进给方向与滚压方向夹角为试验因素A、B、C、D，参照步骤1中所选工艺参数范围选取5个水平，制定正交试验因素水平表，如表1所示。

表1.铝锂合金高速铣削实验因素水平表

3、依照所制定的正交试验表依次在干切条件下和液氮冷却条件下进行切削实验。

首先，采用基恩士LK-30高精度位移传感器对面铣刀刀齿刀尖点进行调平。

然后，用真空夹具将尺寸大小为100mm×100mm×6mm的铝锂合金薄板夹持在工作台上。真空夹具的真空度为0.98bar。最后按照实验参数依次进行干切实验和液氮冷却工况下的切削实验。

4、采用基恩士激光共聚焦超景深显微镜扫描加工后表面的形貌，并且提取相应的形貌信息记录在表2中。为了保证数据的有效性，选择同一种加工参数下表面的3个点测量取平均值。

采用X-350Ac型X射线残余应力测试仪测量加工表层的残余应力值。为了保证数据的有效性，同样选择同一种加工参数下表面的3个点测量取平均值。

表2.干切条件下表面完整性测试结果

表3.液氮冷却切削条件下表面完整性测试结果

5、分别对干切和液氮冷却下的正交试验测试数据进行方差分析，考察各个因数对于表面形貌以残余应力的影响，分析这些因素对于表面完整性影响大小的顺序以及确定出加工参数的优化方向。

表4和表5中依次统计了在干切和液氮冷却条件下的25组正交试验中，各因素相对应的指标线粗糙度(Line Ra)、线粗糙度曲线偏度(Line Rsk)，面粗糙度(Face Ra)、面粗糙度曲线偏度(Face Rsk)，以及残余应力σr的方差分析结果。

表4.干切条件下各因素方差分析结果

表5.液氮冷却切削条件下各因素方差分析结果

表6和表7中依次统计了干切和液氮冷却切削条件下各因素在各水平的均值。

表6.干切条件下各因素在各水平的均值

表7.液氮冷却切削条件下各因素在各水平的均值

实施效果

采用不同的工艺参数组合的条件下，以及干切与液氮冷却切削的条件下，零件的表面形貌和残余应力有较明显的差别。通过表4、表5、表6的III型平方和的大小反映了相应因素作用的大小，III型平方和大的因素，意味着不同水平给指标造成的差别大，通常属于主要因素，III型平方和小的因素，意味着不同水平给考察的指标量造成的差别小，通常属于次要因素。

●根据表4可以对干切条件下各因素的影响作如下分析：

·转速、切深、进给对于线粗糙度(Line Ra)的影响不明显，属于次要因素。进给方向与滚压方向的角度对线粗糙度(Line Ra)影响较为显著，因此影响线粗糙度(Line Ra)的因素主次顺序为：角度D＞进给C＞转速A＞切深B。

·各个因素对线粗糙度曲线偏度(Line Rsk)的影响的主次顺序为：角度D＞进给C＞切深B＞转速A。

·各个因素对面粗糙度(Face Ra)的影响的主次顺序为：切深B＞进给C＞角度D＞转速A。

·各个因素对于面粗糙度曲线偏度(Face Rsk)的影响的主次顺序为：切深B＞角度D＞进给C＞转速A。

·各个因素对于残余应力σr的影响的主次顺序为：切深B＞角度D＞进给C＞转速A。

●从表格5可以对液氮冷却切削条件下各因素的影响作如下分析：

·各个因素对线粗糙度(Line Ra)的影响的主次顺序为：角度D＞进给C＞切深B＞转速A。

·各个因素对线粗糙度曲线偏度(Line Rsk)的影响的主次顺序为：切深B＞角度D＞转速A＞进给C。

·各个因素对面粗糙度(Face Ra)的影响的主次顺序为：角度D＞进给C＞转速A＞切深B。

·各个因素对于残余应力σr的影响的主次顺序为：进给C＞角度D＞切深B＞转速A。

●对比表6与表7可以作出如下分析：

·因素B(切深)减小有利于减小线粗糙度(Line Ra)的值；随着因素B(切深)的减小，面粗糙度(Face Ra)的值亦单调减小；面粗糙度曲线偏度(Face Rsk)随因素B(切深)的减小而增加。这些规律在干切和液氮冷却切削工况下显示出一致性。

·与干切相比，液氮冷却工况下工件的线粗糙度(Line Ra)值均增大，表明表面冷却切削条件下线粗糙度(Line Ra)指标会恶化，但是采用液氮冷却后，工件表层的残余压应力与干切情况相比，提高达100～200Mpa，这对于疲劳强度的提高大有裨益。

●在表4和表5中，Sig.值表示因素的显著性，即因素对目标的影响大小，且Sig.值越小影响越显著。在干切过程中对于线粗糙度(Line Ra)、线粗糙度曲线偏度(Line Rsk)的影响，以及在液氮冷却过程中对于线粗糙度(Line Ra)、面粗糙度(Face Ra)，因素D(角度)均占最大的权重。

综合正交实验数据的离差和方差分析的结果，从提高铝锂合金表面完整性的指标参数考虑，在机械高速铣削铝锂合金的过程中，基于获取不同表面完整性参数的最佳工艺参数搭配如下：

表8.工艺参数的最佳搭配

以上已揭示本发明的具体实施例的技术内容及技术特点，然而可以理解，在本发明的创作思想下，本领域的技术人员可以对上述公开的各种特征和未在此明确示出的特征的组合作各种变化和改进，但都属于本发明的保护范围。上述实施例的描述是示例性的而不是限制性的，本发明的保护范围由权利要求所确定。

Claims

1.一种提升铝锂合金工件切削表面完整性的方法，其特征在于，包括步骤：

(1)获得刀具系统几何参数，选择加工参数范围；

(2)制定正交试验表；

(4)测量干切条件下和液氮冷却条件下切削后的铝锂合金工件切削表面完整性参数；

(5)分析并测试完整性参数，确定优化的加工参数。

2.根据权利要求1所述的提升铝锂合金工件切削表面完整性的方法，其特征在于，在步骤(1)中，根据刀具系统几何参数查阅手册选定加工参数范围。

3.根据权利要求1所述的提升铝锂合金工件切削表面完整性的方法，其特征在于，在步骤(2)中，采用五水平四因素的正交试验设计，四因素包括转速、切深、进给以及进给方向与滚压方向的夹角。

4.根据权利要求1所述的提升铝锂合金工件切削表面完整性的方法，其特征在于，在步骤(3)中，采用100mm面铣刀聚晶金刚石(PCD)刀片在干切条件下和液氮冷却条件下进行切削。

5.根据权利要求1所述的提升铝锂合金工件切削表面完整性的方法，其特征在于，在步骤(4)中，分别测量并记录在干切条件下和液氮冷却条件下切削所得的线粗糙度(LineRa)、线粗糙度曲线偏度(Line Rsk)、面粗糙度(Face Ra)、面粗糙度曲线偏度(Face Rsk)和表面残余应力(σr)。

6.根据权利要求1所述的提升铝锂合金工件切削表面完整性的方法，其特征在于，在步骤(5)中，对所测得的完整性参数进行方差分析，进行显著性水平检验，判定各因素的影响大小次序，寻找对于各个目标参数影响最显著的因素；对所测得的完整性参数进行直观分析，观察目标参数随着因素水平的变化趋势，并将在干切条件下和在液氮冷却条件下切削工况的相应变化趋势、均值大小进行横向对比，得出液氮冷却条件下表面完整性受各因素影响的特点；分别按照线粗糙度(Line Ra)和面粗糙度(Face Ra)最小、线粗糙度曲线偏度(Line Rsk)和面粗糙度曲线偏度(Face Rsk)最大、表面残余压应力(σr)最大的优化准则，进行切削参数的最优组的选取。