一种薄壁结构抗疲劳铣削参数优化方法与流程

本发明属于抗疲劳铣削技术领域，涉及一种薄壁结构抗疲劳铣削参数优化方法。

背景技术：

几十年的服役实践证明，机械零构件失效中疲劳失效占到50～90％，而航空构件中疲劳失效占到80％以上。特别是飞机、发动机等关键构件，疲劳是安全服役威胁最大的失效模式。长期以来，人们一直把表面几何特征如表面粗糙度、表面微裂纹作为衡量表面加工质量的主要依据。认为表面微观不平度越小，疲劳强度越高。后来又引进了三个参数：表面残余应力、表面冷作硬化程度和深度。目前，研究者们在评价表面完整性特征参数对疲劳性能的影响方面，尚无统一认识，一些研究者认为，影响疲劳性能的主要因素是残余应力，而另一些则认为，疲劳性能的变化是因冷作硬化或表面粗糙度所致。因此，研究薄壁结构抗疲劳铣削方法，对提高构件疲劳性能具有重要意义。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种薄壁结构抗疲劳铣削参数优化方法，用于实现对薄壁结构的工艺参数的有效控制，提高构件的抗疲劳性能。

本发明所采用的技术方案是，一种薄壁结构抗疲劳铣削参数优化方法，具体包括以下步骤：

步骤1，建立工艺因子对薄壁结构表面完整性的影响模型；

步骤2，建立薄壁结构表面完整性特征对疲劳性能的影响模型；

步骤3，根据步骤1和步骤2所得的结果，确定铣削工艺因子铣削速度v_c、每齿进给量f_z、铣削宽度a_e、铣削深度a_p的变化方向及抗疲劳铣削参数域C2。

步骤1的具体过程如下：

步骤1.1，确定铣削工艺因子：铣削速度v_c；每齿进给量f_z；铣削深度a_p；铣削宽度a_e；

步骤1.2，确定表面完整性特征：表面粗糙度R_a；表面残余应力σ_r；表面显微硬度HV；

步骤1.3，选取工艺因子集合C1：[v_cmin，v_cmax]；[f_zmin，f_zmax]；[a_pmin，a_pmax]；[a_emin，a_emax]；

步骤1.4，在步骤1.3所选的集合C1的参数范围内，进行铣削正交试验，得到不同的铣削加工表面；

步骤1.5，对步骤1.4所得的铣削加工表面进行表面完整性测试；

步骤1.6，根据步骤1.3和步骤1.5所得的结果，运用多元线性回归的方法建立铣削工艺因子和表面完整性特征的影响模型，如下公式(1)所示：

即得

其中，α_i,β_i,γ_i,η_i分别为v_c,f_z,a_e,a_p的指数(常数)，i＝1～3，A、B、C为常数，α_i,β_i,γ_i,η_i大小代表表面完整性特征对工艺因子变化的敏感性；其符号代表表面完整性特征随工艺因子变化的变化方向，α_i,β_i,γ_i,η_i的绝对值越大，表面完整性特征对工艺因子变化越敏感；

步骤1.7，根据公式(2)中α_i,β_i,γ_i,η_i的大小，分别确定v_c,f_z,a_e,a_p对表面完整性特征R_a,σ_r,HV影响的显著性大小；根据α_i,β_i,γ_i,η_i的正负号，分别确定v_c,f_z,a_e,a_p变化时，表面完整性特征R_a,σ_r,HV的变化方向。

步骤1.5的具体过程如下：

表面粗糙度R_a采用表面轮廓仪进行测试，不同铣削加工表面采用统一的取样长度和评定长度，每个试件测量至少3个点取平均值；

表面残余应力σ_r采用残余应力测试系统进行测试；

表面显微硬度HV采用显微硬度计测试，每个试件测量至少3个点取平均值。

步骤2的具体过程如下：

步骤2.1，进行薄壁结构疲劳试样的铣削加工；

步骤2.2，对步骤2.1铣削后的疲劳试件表面，进行表面完整性测试；

步骤2.3，在室温条件下，进行拉-拉疲劳寿命试验，得到疲劳试件的疲劳寿命N_f；

步骤2.4，根据步骤2.2和步骤2.3所得的结果，运用多元线性回归的方法建立表面完整性特征和疲劳寿命的影响模型，如下公式(3)所示

即得

N_f＝10^DR_a^κσ_r^λHV^μ (4)；

其中，N_f为疲劳寿命，κ,λ,μ，分别为R_a,σ_r,HV的指数(常数)，κ,λ,μ大小代表疲劳寿命对表面完整性特征变化的敏感性；κ,λ,μ符号代表疲劳寿命随表面完整性特征变化的变化方向，κ,λ,μ的绝对值越大，疲劳寿命对表面完整性特征变化越敏感；

步骤2.5，根据公式(4)中κ,λ,μ的大小，分别确定R_a,σ_r,HV对疲劳寿命N_f影响的显著性大小；根据κ,λ,μ的正负号，分别确定R_a,σ_r,HV变化时，疲劳寿命N_f的变化方向；

步骤2.6，根据步骤2.4建立的表面完整性特征和疲劳寿命的影响模型，得当使N_f提高时，R_a,σ_r,HV的变化方向。

步骤2.1的具体过程为：

侧铣加工试样侧面，端铣加工两个工作面，所有疲劳试样采用相同的侧铣加工工艺加工侧面，疲劳试样端面采用N组不同参数组合的端铣工艺加工，其中N大于等于3。

步骤2.2的具体过程为：

表面粗糙度R_a采用表面轮廓仪进行测试，不同铣削加工表面采用统一的取样长度和评定长度，每个试件测量至少3个点取平均值；

表面残余应力σ_r采用残余应力测试系统进行测试；

表面显微硬度HV采用显微硬度计测试，每个试件测量至少3个点取平均值。

步骤3的具体过程为：

根据步骤2.6和步骤1.6所得的结果，以及表面完整性特征对工艺参数变化的敏感性，确定铣削工艺因子铣削速度v_c、每齿进给量f_z、铣削深度a_p、铣削宽度a_e的变化方向及抗疲劳铣削参数域C2：[v_cmin`，v<sub>cmax</sub>`]；[f_zmin`，f<sub>zmax</sub>`]；[a_pmin`，a<sub>pmax</sub>`]；[a_emin`，a<sub>emax</sub>`]，该参数域C2在工艺因子集合C1内选取。

本发明的有益效果是，本发明提供的方法是在初选工艺参数域内进行正交试验和疲劳寿命试验。以疲劳寿命为判据，通过分析切削工艺参数对表面完整性特征的影响关系以及表面完整性特征对疲劳寿命的影响关系，获得保证一定疲劳寿命条件下的表面完整性切削表面对应的切削工艺变化方向及范围。方法简单，可以快速、直观的获得表面完整性对应的工艺参数域，实现对薄壁结构的工艺参数的有效控制，提高构件的抗疲劳性能。

附图说明

图1是本发明一种薄壁结构抗疲劳铣削参数优化方法实施例中TB6钛合金薄壁结构疲劳试件图；

图2是本发明一种薄壁结构抗疲劳铣削参数优化方法实施例中获得的TB6钛合金抗疲劳铣削的S-N曲线与传统S-N曲线对比。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种薄壁结构抗疲劳铣削参数优化方法，具体包括以下步骤：

步骤1，建立工艺因子对薄壁结构表面完整性的影响模型，具体包括以下步骤：

步骤1.1，确定铣削工艺因子：铣削速度v_c；每齿进给量f_z；铣削宽度a_e；铣削深度a_p；

步骤1.2，确定表面完整性特征：表面粗糙度R_a；表面残余应力σ_r；表面显微硬度HV；

步骤1.3，根据粗加工试切试验，选取工艺因子集合C1：[v_cmin，v_cmax]；[f_zmin，f_zmax]；[a_pmin，a_pmax]；[a_emin，a_emax]；

步骤1.4，在步骤1.3所选的集合C1的参数范围内，进行铣削正交试验，得到不同的铣削加工表面(试验时采用固定的机床、刀具、加工方式、以及冷却方法)；

步骤1.5，对步骤1.4所得的铣削加工表面进行表面完整性测试，具体如下：

(铣削加工)表面粗糙度R_a采用表面轮廓仪进行测试，(不同铣削加工表面)采用统一的取样长度和评定长度，每个试件测量至少3个点取平均值；表面残余应力σ_r采用残余应力测试系统进行测试；

表面显微硬度HV采用显微硬度计测试，每个试件测量至少3个点取平均值；

步骤1.6，根据步骤1.3和步骤1.5所得的结果，运用多元线性回归的方法建立铣削工艺因子和表面完整性特征的影响模型，如下公式(1)所示：

即得

其中，α_i,β_i,γ_i,η_i分别为v_c,f_z,a_e,a_p的指数(常数)，i＝1～3，A、B、C为常数；α_i,β_i,γ_i,η_i大小代表表面完整性特征对工艺因子变化的敏感性；其符号代表表面完整性特征随工艺因子变化的变化方向，α_i,β_i,γ_i,η_i的绝对值越大，表面完整性特征对工艺因子变化越敏感；

步骤1.7，根据公式(2)中α_i,β_i,γ_i,η_i的大小，分别确定v_c,f_z,a_e,a_p对表面完整性特征R_a,σ_r,HV影响的显著性大小；根据α_i,β_i,γ_i,η_i的正负号，分别确定v_c,f_z,a_e,a_p变化时，表面完整性特征R_a,σ_r,HV的变化方向。

步骤2，建立薄壁结构表面完整性特征对疲劳性能的影响模型，其具体步骤如下：

步骤2.1，进行薄壁结构疲劳试样的铣削加工，具体为：

侧铣加工试样侧面，端铣加工两个工作面，所有疲劳试样采用相同的侧铣加工工艺加工侧面，(侧面加工时，为防止试件变形，采用三个试件一起加工，三个试件依次沿竖直方向叠加放置，)疲劳试样端面采用N组(N大于等于3)不同参数组合的端铣工艺加工，(采用固定的试验机床、刀具、以及冷却方法)；

步骤2.2，对步骤2.1铣削后的疲劳试件表面，进行表面完整性测试，具体为：

(铣削加工)表面粗糙度R_a采用表面轮廓仪进行测试，不同铣削加工表面采用统一的取样长度和评定长度，每个试件测量至少3个点取平均值；表面残余应力σ_r采用残余应力测试系统进行测试；

表面显微硬度HV采用显微硬度计测试，每个试件测量至少3个点取平均值；

步骤2.3，在室温条件下，进行拉-拉疲劳寿命试验，得到疲劳试件的疲劳寿命N_f(拉-拉疲劳寿命试验选取固定的载荷、频率、应力比和加载波形)；

步骤2.4，根据步骤2.2和步骤2.3所得的结果，运用多元线性回归的方法建立表面完整性特征和疲劳寿命的影响模型，如下公式(3)所示：

即得N_f＝10^DR_a^κσ_r^λHV^μ (4)；

其中，κ,λ,μ，分别为R_a,σ_r,HV的指数(常数)，其大小代表疲劳寿命对表面完整性特征变化的敏感性；其符号代表疲劳寿命随表面完整性特征的变化方向，κ,λ,μ的绝对值越大，疲劳寿命对表面完整性特征变化越敏感；

步骤2.5，根据公式(4)中κ,λ,μ的大小，分别确定R_a,σ_r,HV对疲劳寿命N_f影响的显著性大小；根据κ,λ,μ的正负号，分别确定R_a,σ_r,HV变化时，疲劳寿命N_f的变化方向；

步骤2.6，根据步骤2.4建立的表面完整性特征和疲劳寿命的影响模型，得当使N_f提高时，R_a,σ_r,HV的变化方向。

步骤3，根据步骤1和步骤2所得的结果，确定铣削工艺因子铣削速度v_c、每齿进给量f_z、铣削深度a_p、铣削宽度a_e的变化方向及抗疲劳铣削参数域C2，该参数域C2在工艺因子集合C1内选取，具体为：

根据步骤2.6和步骤1.6所得的结果，以及表面完整性特征对工艺参数变化的敏感性，确定铣削工艺因子铣削速度v_c、每齿进给量f_z、铣削宽度a_e、铣削深度a_p的变化方向及抗疲劳铣削参数域C2：[v_cmin`，v<sub>cmax</sub>`]；[f_zmin`，f<sub>zmax</sub>`]；[a_pmin`，a<sub>pmax</sub>`]；[a_emin`，a<sub>emax</sub>`]。

实施例

本实施例中以TB6钛合金薄壁结构抗疲劳铣削参数优化方法为例，具体包括以下步骤：

步骤1、建立工艺因子对表面完整性的影响模型，具体过程如下：在选定的试验机床、刀具、加工方式、以及冷却方法条件下，确定铣削工艺因子：{铣削速度v_c；每齿进给量f_z；铣削深度a_p；铣削宽度a_e}。

确定本发明中研究的表面完整性特征：{表面粗糙度R_a；表面残余应力σ_r；表面显微硬度HV}；

根据TB6钛合金的粗加工试切，选取工艺因子集合C1：{铣削速度v_c＝60～140m/min，每齿进给量f_z＝0.04～0.12mm/z，铣削宽度a_e＝3～7mm}。由于精加工时，铣削深度一般较小，这里固定铣削深度a_p＝0.2mm，只考虑铣削速度、每齿进给量和铣削宽度。因此，在参数域C1内进行三因素三水平的正交实验，试验机床：JOHNFORD VMC-850型三坐标立式数控机床；刀具为K44四齿整体硬质合金立铣刀，直径为10mm；加工方式为顺铣，采用乳化液冷却。

对加工后的铣削表面进行表面完整性测试，采用TR240表面粗糙度测试仪进行进给方向表面粗糙度R_a的测量，取样长度0.8mm，评定长度4.0mm，每个试件测量5个点取平均值；表面残余应力σ_r采用XStress3000X射线应力分析仪进行测试，采用CuK-Alpha靶；表面显微硬度HV采用MHT-4显微硬度计测试，每个试件表面测试5个点取平均值。

运用多元线性回归分析方法，建立工艺参数和表面完整性特征的影响模型，如下公式(2)所示：

根据公式(2)可知，R_a对f_z的变化最为敏感，对v_c的变化敏感性次之，对a_e的变化最不敏感；R_a随f_z的增大而增大，随v_c和a_e的增大而减小。σ_r对v_c的变化最为敏感，对a_e的变化敏感性次之，对f_z的变化最不敏感；σ_r分别随v_c、f_z、a_e的增大而增大，HV对a_e、v_c、f_z变化的敏感性依次减小；并随它们的增大而略微增加。

步骤2、建立薄壁结构表面完整性特征对疲劳性能的影响模型，具体过程如下：

进行薄壁结构疲劳试样的铣削加工，疲劳试样形状及尺寸如图1所示。侧铣加工试样侧面，端铣加工两个工作面，手工倒圆R0.1mm到R0.2mm。所有疲劳试样采用相同的侧铣加工工艺加工侧面，工艺参数为：铣削速度v_c＝100m/min，每齿进给量f_z＝0.02mm/z，铣削深度a_p＝9mm，铣削宽度a_e＝0.2mm，采用三个试件一起加工，这样可以有效防止试件变形。疲劳试样端面采用6组不同参数组合的端铣工艺加工，刀具为Ф10的K44整体硬质合金立铣刀。

对加工后的疲劳试件进行表面完整性测试，表面粗糙度R_a测试设备：VECOO三维轮廓仪，每个试件测量5个点取平均值；表面残余应力σ_r测试设备：XStress3000X射线应力分析仪；表面显微硬度HV测试设备：MHT-4显微硬度测试计，每个试件表面测试5个点取平均值。对所有疲劳试件进行疲劳寿命试验，试验机：QBG-50高频疲劳试验机；加载方式：拉压；载荷：845MPa；加载频率：85～87Hz；正弦波；应力比：R＝0.1；实验温度：室温。

分析表面粗糙度R_a、表面残余应力σ_r和表面显微硬度HV对疲劳寿命的影响。运用多元线性回归法，建立表面完整性和疲劳寿命的影响模型。由于在实验参数范围内，表面显微硬度HV基本无变化，因此，仅建立疲劳寿命与表面粗糙度和残余压应力的模型，如下公式(4)所示：

N_f＝23.6R_a^-0.524|σ_r|^1.194 (4)；

根据公式(4)可知，N_f对σ_r的变化最为敏感，对R_a的变化敏感性次之；N_f随R_a的增大而减小，随σ_r的增大而增大；使疲劳寿命提高的表面完整性特征的变化方向为：σ_r增大，R_a减小。

使疲劳寿命提高的表面粗糙度R_a的变化方向为：R_a减小，结合公式(2)，确定v_c,f_z,a_e,a_p的变化方向，选取v_c,f_z,a_e,a_p的数字范围分别为：{铣削速度v_c＝100～140m/min，每齿进给量f_z＝0.04～0.08mm/z，铣削宽度a_e＝5～7mm}；使疲劳寿命提高的表面残余应力σ_r的变化方向为：σ_r增大，结合公式(2)，确定v_c,f_z,a_e,a_p的变化方向及范围：{铣削速度v_c＝100～140m/min，每齿进给量f_z＝0.08～0.12mm/z，铣削宽度a_e＝5～7mm}；当同时考虑R_a减小、σ_r增大时，由于R_a对f_z的变化最为敏感，σ_r对f_z的变化最不敏感，所以，当使疲劳寿命N_f提高时，最终获得抗疲劳铣削控制工艺参数域C2：{铣削速度v_c＝100～140m/min，每齿进给量f_z＝0.04～0.08mm/z，铣削宽度a_e＝5～7mm}。

如图2所示，采用抗疲劳铣削控制工艺参数域C2内参数：{v_c＝140m/min，f_z＝0.08mm/z，a_e＝7mm，a_p＝0.1mm}进行疲劳试件的加工，获得10⁷循环次数下的疲劳极限为674MPa。其疲劳极限比传统加工工艺获得的疲劳极限提高了29.6％。