CN108274054A - 一种铝合金薄壁结构抗疲劳铣削工艺参数控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金薄壁结构抗疲劳铣削工艺参数控制方法，建立表面完整性对疲劳寿命的影响模型以及制造因子对表面完整性的影响模型，建立抗疲劳初选制造因子模型，根据表面完整性与疲劳寿命的关系以及制造因子与表面完整性的关系，获得铝合金薄壁构件抗疲劳铣削制造因子集合；在初选制造因子集合内进行正交试验和疲劳寿命寿命试验；以疲劳寿命为判据，通过分析制造因子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，获得使疲劳寿命提高的切削工艺变化方向及制造因子范围，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。

Description

一种铝合金薄壁结构抗疲劳铣削工艺参数控制方法

【技术领域】

本发明属于抗疲劳铣削工艺参数优化控制技术领域，具体涉及一种铝合金薄壁结构抗疲劳铣削工艺参数控制方法。

【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，疲劳是机械零构件安全服役威胁最大的失效模式。长期以来，人们一直把机械零构件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工艺参数域，对提高构件疲劳性能具有重要意义。

【发明内容】

本发明的目的是提供一种铝合金薄壁结构抗疲劳铣削工艺参数控制方法，通过控制制造因子取值范围，从而控制加工表面完整性，提高构件疲劳性能。

本发明采用以下技术方案：一种铝合金薄壁结构抗疲劳铣削工艺参数控制方法，具体包括以下步骤：

步骤1、确定初选制造因子集合C1：{[v_c1min，v_c1max]；[f_z1min，f_z1max]；[a_p1min，a_p1max]；[a_e1min，a_e1max]}，其中，[v_c1min，v_c1max]为铣削速度的初选值集合，[f_z1min，f_z1max]为每齿进给量的初选值集合，[a_p1min，a_p1max]为铣削深度的初选值集合，[a_e1min，a_e1max]为铣削宽度的初选值集合；

步骤2、在制造因子集合C1中进行三因素三水平的正交试验，加工多个试验试件，对每个试验试件进行表面完整性测试，分别得出多个试验试件的平均表面粗糙度R_a、平均表面残余应力σ_r和平均表面显微硬度HV；运用多元线性回归分析法，建立制造因子和表面完整性特征的影响模型：

其中，v_c,f_z,a_e,a_p分别为铣削速度、每齿进给量、铣削宽度和铣削深度，α_i,β_i,γ_i,η_i分别为v_c,f_z,a_e,a_p的指数，i＝1～3，A、B、C均为常数；

步骤3、对每个试验试件进行疲劳寿命试验，运用多元线性回归法，建立表面完整性对疲劳寿命的影响模型：

N_f＝10^DR_a ^κσ_r ^λHV^μ，

其中，κ,λ,μ分别为R_a,σ_r,HV的指数，D为常数；

步骤4、根据制造因子和表面完整性特征的影响模型以及表面完整性对疲劳寿命的影响模型，获得铝合金薄壁构件抗疲劳铣削制造因子集合C2：{[v_c2min，v_c2max]；[f_z2min，f_z2max]；[a_p2min，a_p2max]；[a_e2min，a_e2max]}，其中，[v_c2min，v_c2max]为最终铣削速度值集合，[f_z2min，f_z2max]为最终每齿进给量值集合，[a_p2min，a_p2max]为最终铣削深度值集合，[a_e2min，a_e2max]为最终铣削宽度值集合。

进一步地，步骤4的具体方法为：

步骤4.1、根据表面完整性对疲劳寿命的影响模型，得出使疲劳寿命提高的表面粗糙度的变化方向，并结合制造因子和表面完整性特征的影响模型确定v_c,f_z,a_e,a_p的变化方向及范围E₁；

根据表面完整性对疲劳寿命的影响模型，得出使疲劳寿命提高的表面残余应力的变化方向，并结合制造因子和表面完整性特征的影响模型确定v_c,f_z,a_e,a_p的变化方向及范围E₂；

根据表面完整性对疲劳寿命的影响模型，得出使疲劳寿命提高的表面显微硬度的变化方向，并结合制造因子和表面完整性特征的影响模型确定v_c,f_z,a_e,a_p的变化方向及范围E₃；

步骤4.2、求出步骤4.1中得出的E₁、E₂和E₃的交集，得到铝合金薄壁构件抗疲劳铣削制造因子集合C2：{[v_c2min，v_c2max]；[f_z2min，f_z2max]；[a_p2min，a_p2max]；[a_e2min，a_e2max]}。

进一步地，步骤2中加工试验试件的数量≥3，每个试验试件表面完整性测试中选取的测试点≥5。

本发明的有益效果是：本发明的方法是在初选制造因子集合内进行正交试验和疲劳寿命寿命试验；以疲劳寿命为判据，通过分析制造因子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，获得使疲劳寿命提高的切削工艺变化方向及制造因子范围。方法简单，可以快速、直观的获得抗疲劳铣削对应的控制因子集合，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为本发明一种铝合金薄壁结构抗疲劳铣削工艺参数控制方法的流程图；

图2为本发明实施例中7055铝合金薄壁结构疲劳试件图；

图3为本发明实施例中获得的铣削速度、每齿进给量、铣削深度、铣削宽度对7055铝合金表面粗糙度的影响曲线；

图4为本发明实施例中获得的铣削速度、每齿进给量、铣削深度、铣削宽度对7055铝合金表面残余应力的影响曲线；

图5为本发明实施例中获得的铣削速度、每齿进给量、铣削深度、铣削宽度对7055铝合金表面显微硬度的影响曲线；

图6为本发明实施例中7055铝合金的表面完整性综合效应对疲劳寿命的影响图。

【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。

本发明公开了一种铝合金薄壁结构抗疲劳铣削工艺参数控制方法，如图1所示，首先建立表面完整性对疲劳寿命的影响模型以及制造因子对表面完整性的影响模型，建立抗疲劳初选制造因子模型，根据表面完整性与疲劳寿命的关系以及制造因子与表面完整性的关系，获得铝合金薄壁构件抗疲劳铣削制造因子集合C2，具体包括以下步骤：

步骤1、在选定的试验机床、刀具、加工方式、以及冷却方法条件下，确定本发明研究的铣削工艺制造因子：{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}。根据美国表面完整性数据组，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}。

通过工艺试切，根据试验机床、刀具、加工方式和冷却方法确定初选制造因子集合C1：{[v_c1min，v_c1max]；[f_z1min，f_z1max]；[a_p1min，a_p1max]；[a_e1min，a_e1max]}，其中，[v_c1min，v_c1max]为铣削速度的初选值集合，[f_z1min，f_z1max]为每齿进给量的初选值集合，[a_p1min，a_p1max]为铣削深度的初选值集合，[a_e1min，a_e1max]为铣削宽度的初选值集合。

在本实施例中初选制造因子集合C1：{铣削速度v_c＝700～11000m/min，每齿进给量f_z＝0.02～0.06mm/z，铣削深度a_p＝0.3～0.7mm，铣削宽度a_e＝4～8mm}。

步骤2、在制造因子集合C1范围内，采用固定的试验机床、刀具、以及冷却方法设计并进行疲劳寿命试验以及正交切削试验，具体的试验机床：MikronHSM800数控机床；刀具为三齿整体硬质合金立铣刀，直径为12mm；加工方式为顺铣，采用乳化液冷却。进行三因素三水平的正交试验，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2所示，侧铣加工试件侧面，端铣加工两个工作面，手工倒圆R0.1mm到R0.2mm。所有疲劳试件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＝900m/min，每齿进给量f_z＝0.02mm/z，铣削深度a_p＝0.2mm，铣削宽度a_e＝3mm，采用三个试件一起加工，这样可以有效防止试件变形。疲劳试件端面采用6组不同参数组合的端铣工艺加工，刀具为Ф12的整体硬质合金立铣刀。

对每个试验试件(铣削后的疲劳试件和正交试验试件)进行表面完整性测试，分别得出多个试验试件的平均表面粗糙度R_a、平均表面残余应力σ_r和平均表面显微硬度HV。表面粗糙度采用TR240表面粗糙度测试仪(或VECOO三维轮廓仪)进行进给方向表面粗糙度的测量，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，并采用统一的取样长度和评定长度，每个试件测量5个点取平均值。表面残余应力采用XStress3000X射线应力分析仪进行测试，采用CuK-Alpha靶。表面显微硬度采用采用MHT-4显微硬度计测试，每个试件表面测试5个点取平均值。

根据测试结果，用极差分析法分析铣削速度、每齿进给量、铣削宽度对表面粗糙度、表面残余应力和表面显微硬度的影响，并运用多元线性回归分析法，建立制造因子和表面完整性特征的影响模型：

其中，v_c,f_z,a_e,a_p分别为铣削速度、每齿进给量、铣削宽度和铣削深度，其大小代表表面完整性特征对制造因子变化的敏感性；其符号代表表面完整性特征随制造因子变化的变化方向。正值代表正相关，负值代表负相关，α_i,β_i,γ_i,η_i分别为v_c,f_z,a_e,a_p的指数，i＝1～3，A、B、C均为常数。

根据上述公式中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。

本实施例中，制造因子和表面完整性特征的影响模型：

由此，如图3所示，R_a对f_z的变化最为敏感，对v_c和a_e的变化敏感性次之，对a_p的变化最不敏感；R_a随f_z的增大而增大，随v_c、a_p、a_e的增大而减小。

如图4所示，σ_rx对v_c的变化最为敏感，对a_e和f_z的变化敏感性次之，对a_p的变化最不敏感；σ_rx随v_c和a_e的增大而增大，随a_p和f_z的增大而减小。

σ_ry对v_c的变化最为敏感，对a_e和a_p的变化敏感性次之，对f_z的变化最不敏感；σ_ry随v_c和f_z的增大而增大，随a_p和a_e的增大而减小。

σ_rx和σ_ry分别表示铣削进给方向和铣削切宽方向的残余应力，两个方向垂直，且后续计算是根据σ_r进行计算的。

如图5所示，HV对v_c、f_z、a_p、a_e变化的敏感性依次减小；并随它们的增大而略微增加。

步骤3、在室温条件下，10⁷循环次数下，选取固定的载荷、频率、应力比和加载波形，对每个试验试件进行疲劳寿命试验，试验机：QBG-20高频疲劳试验机；加载方式：拉压；载荷：250MPa；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、表面残余应力和表面显微对对疲劳寿命的影响，运用多元线性回归法，建立表面完整性对疲劳寿命的影响模型：

N_f＝10^DR_a ^κσ_r ^λHV^μ，

其中，κ,λ,μ分别为R_a,σ_r,HV的指数，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变化的变化方向。正值代表正相关，负值代表负相关，D为常数。

本实施例中由于在实验参数范围内，表面显微硬度基本无变化，因此，仅建立疲劳寿命与表面粗糙度和残余压应力的模型。

N_f＝10^4.872R_a ^-0.294|σ_r|^0.002，

由此，如图6所示，N_f对R_a的变化最为敏感，对σ_r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。当疲劳寿命N_f提高时，R_a的影响最为显著，σ_r的影响显著性次之；使疲劳寿命提高的表面完整性特征的变化方向为：R_a减小，σ_r增大。

根据上述公式中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。确定N_f提高时，R_a,σ_r,HV影响的显著性，及变化方向。

步骤4、根据制造因子和表面完整性特征的影响模型以及表面完整性对疲劳寿命的影响模型，获得铝合金薄壁构件抗疲劳铣削制造因子集合C2：{[v_c2min，v_c2max]；[f_z2min，f_z2max]；[a_p2min，a_p2max]；[a_e2min，a_e2max]}，其中，[v_c2min，v_c2max]为最终铣削速度值集合，[f_z2min，f_z2max]为最终每齿进给量值集合，[a_p2min，a_p2max]为最终铣削深度值集合，[a_e2min，a_e2max]为最终铣削宽度值集合，具体方法为：

步骤4.1、根据表面完整性对疲劳寿命的影响模型，得出使疲劳寿命提高的表面粗糙度的变化方向，并结合制造因子和表面完整性特征的影响模型确定v_c,f_z,a_e,a_p的变化方向及范围E₁。

本实施例中可得出v_c,f_z,a_p,a_e的变化方向及范围E₁：{铣削速度v_c＝900～1100m/min，每齿进给量f_z＝0.02～0.04mm/z，铣削深度a_p＝0.3～0.5mm，铣削宽度a_e＝4～6mm}。

根据表面完整性对疲劳寿命的影响模型，得出使疲劳寿命提高的表面残余应力的变化方向，并结合制造因子和表面完整性特征的影响模型确定v_c,f_z,a_e,a_p的变化方向及范围E₂。

本实施例中可得出v_c,f_z,a_p,a_e的变化方向及范围E₂：{铣削速度v_c＝900～1100m/min，每齿进给量f_z＝0.02～0.04mm/z，铣削深度a_p＝0.3～0.5mm，铣削宽度a_e＝6～8mm}。

根据表面完整性对疲劳寿命的影响模型，得出使疲劳寿命提高的表面显微硬度的变化方向，并结合制造因子和表面完整性特征的影响模型确定v_c,f_z,a_e,a_p的变化方向及范围E₃。

由于本实施例中在实验参数范围内，表面显微硬度基本无变化，所以，不考虑v_c,f_z,a_e,a_p的变化方向及范围E₃。

步骤4.2、求出步骤4.1中得出的E₁、E₂和E₃的交集(即同时考虑R_a,σ_r,HV对疲劳寿命的影响)，得到铝合金薄壁构件抗疲劳铣削制造因子集合C2：{[v_c2min，v_c2max]；[f_z2min，f_z2max]；[a_p2min，a_p2max]；[a_e2min，a_e2max]}。

本实施例中E₁和E₂的交集，即铝合金薄壁构件抗疲劳铣削制造因子集合C2：{铣削速度v_c＝900～1100m/min，每齿进给量f_z＝0.02～0.04mm/z，铣削深度a_p＝0.3～0.5mm，铣削宽度a_e＝6mm。

发明公开了一种铝合金薄壁结构抗疲劳铣削工艺参数优化控制，用于解决现有的薄壁结构的抗疲劳铣削问题。抗疲劳铣削工艺参数域(即控制因子集合)的获得是通过优化工艺参数，来控制表面完整性，进而提高其疲劳性能的方法。该方法是在初选工艺参数域内(即控制因子C1)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，获得使疲劳寿命提高的切削工艺变化方向及范围(即得到控制因子集合C2)。方法简单，可以快速、直观的判断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，提高构件其抗疲劳性能。

Claims (3)

1.一种铝合金薄壁结构抗疲劳铣削工艺参数控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1、确定初选制造因子集合C1：{[v_c1min，v_c1max]；[f_z1min，f_z1max]；[a_p1min，a_p1max]；[a_e1min，a_e1max]}，其中，[v_c1min，v_c1max]为铣削速度的初选值集合，[f_z1min，f_z1max]为每齿进给量的初选值集合，[a_p1min，a_p1max]为铣削深度的初选值集合，[a_e1min，a_e1max]为铣削宽度的初选值集合；

步骤2、在所述制造因子集合C1中进行正交试验，并对每个试验试件进行表面完整性测试，分别得出多个试验试件的平均表面粗糙度R_a、平均表面残余应力σ_r和平均表面显微硬度HV，运用多元线性回归分析法，建立制造因子和表面完整性特征的影响模型：

其中，v_c,f_z,a_e,a_p分别为铣削速度、每齿进给量、铣削宽度和铣削深度，α_i,β_i,γ_i,η_i分别为v_c,f_z,a_e,a_p的指数，i＝1～3，A、B、C均为常数；

步骤3、对每个试验试件进行疲劳寿命试验，运用多元线性回归法，建立表面完整性对疲劳寿命的影响模型：

N_f＝10^DR_a ^κσ_r ^λHV^μ，

其中，κ,λ,μ分别为R_a,σ_r,HV的指数，D为常数；

步骤4、根据制造因子和表面完整性特征的影响模型以及表面完整性对疲劳寿命的影响模型，获得铝合金薄壁构件抗疲劳铣削制造因子集合C2：{[v_c2min，v_c2max]；[f_z2min，f_z2max]；[a_p2min，a_p2max]；[a_e2min，a_e2max]}，其中，[v_c2min，v_c2max]为最终铣削速度值集合，[f_z2min，f_z2max]为最终每齿进给量值集合，[a_p2min，a_p2max]为最终铣削深度值集合，[a_e2min，a_e2max]为最终铣削宽度值集合。

2.如权利要求1所述的一种铝合金薄壁结构抗疲劳铣削工艺参数控制方法，其特征在于，步骤4的具体方法为：

步骤4.1、根据表面完整性对疲劳寿命的影响模型，得出使疲劳寿命提高的表面粗糙度的变化方向，并结合制造因子和表面完整性特征的影响模型确定v_c,f_z,a_e,a_p的变化方向及范围E₁；

根据表面完整性对疲劳寿命的影响模型，得出使疲劳寿命提高的表面残余应力的变化方向，并结合制造因子和表面完整性特征的影响模型确定v_c,f_z,a_e,a_p的变化方向及范围E₂；

根据表面完整性对疲劳寿命的影响模型，得出使疲劳寿命提高的表面显微硬度的变化方向，并结合制造因子和表面完整性特征的影响模型确定v_c,f_z,a_e,a_p的变化方向及范围E₃；

步骤4.2、求出步骤4.1中得出的E₁、E₂和E₃的交集，得到铝合金薄壁构件抗疲劳铣削制造因子集合C2：{[v_c2min，v_c2max]；[f_z2min，f_z2max]；[a_p2min，a_p2max]；[a_e2min，a_e2max]}。

3.如权利要求1或2所述的一种铝合金薄壁结构抗疲劳铣削工艺参数控制方法，其特征在于，步骤2中加工试验试件的数量≥3，每个试验试件表面完整性测试中选取的测试点≥5。