[发明专利]钛合金铣削加工表面层显微硬度测定方法

说明书

一种钛合金铣削加工表面层显微硬度测定方法，通过对钛合金铣削表面层的微观组织进行表征分析，以及钛合金Ti6Al4V材料的内在微观组织演变与切削变形宏观物理场之间的关系，构建基于真实组织演变的钛合金材料塑形变形本构模型；再构建切削表面层晶粒尺寸和显微硬度预测模型；最后通过有限元二次开发技术将上述模型嵌入到有限元系统中，得到不同工艺条件下的仿真铣削表面层显微硬度分布规律。本发明为实现加工表面层微观组织的显微硬度主动调控，以及提高服役零件的疲劳寿命提供依据。相比于试验检测技术，本发明可大大降低人力物力成本，提高效率。

技术领域

本发明涉及的是一种机械加工领域的技术，具体是一种钛合金铣削加工表面层显微硬度测定方法。

背景技术

钛合金材料由于具有比强度高、热强度高和耐腐蚀等优良特点，在航空、航天、船舶和生物医学等领域获得广泛应用。在航空领域，钛合金尤其是双相Ti6Al4V钛合金材料常用于制造飞机和发动机中的主要构件。在各类零件尤其是航空和生物零件中，通常具有复杂几何结构，针对这类复杂形状特征零件的高精度制造，铣削加工因具有独特的灵活性、高效性和可靠性，目前仍被产业所主要采用。铣削加工尤其是精铣削对于这些重要零件的表面完整性有非常重要的影响，铣削表面层的完好程度和组织性能将直接决定这些零件的服役性能，其中零件加工表面层微观组织和显微硬度是其抗疲劳性能的重要影响因素。在铣削过程中，不同工艺参数和刀具结构参数都会直接影响加工表面层的微结构特征。

受现有材料组织表征技术尚无法对材料切削变形区进行实时在线监测的制约，现有检测技术尚无法较为准确的获取复杂零件铣削加工表面层组织的显微硬度分布规律。同时，由于航空零件尺寸及其形状的复杂性和各异性，现有试验技术对其加工表面层显微硬度检测花费时间长、效率低、成本高。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种钛合金铣削加工表面层显微硬度测定方法，在阐明钛合金表面层微观组织在动态切削流变中的演化行为，以及在切削之后静态表面层微观组织参量与不同工艺和刀具结构参数之间的关系的基础上，为实现加工表面层主动调控和提高服役构件的疲劳寿命提供依据。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种钛合金铣削加工表面层显微硬度测定方法，通过对钛合金铣削表面层的微观组织进行表征分析，以及钛合金Ti6Al4V材料的内在微观组织演变与切削变形宏观物理场之间的关系，构建基于真实组织演变的钛合金材料塑性变形本构模型；再构建切削表面层晶粒尺寸和显微硬度预测模型；最后通过有限元二次开发技术将上述模型嵌入到有限元系统中，得到不同工艺条件下的仿真铣削表面层显微硬度分布规律。

所述的表征分析具体是指：对变形层晶粒细化的梯度分布特征、物相变化规律、晶态变化和位错变化规律进行分析。

所述的钛合金材料塑性变形本构模型基于基本强化机制建立，包括：物理强度组成项和位错强度组成项，其中：物理强度组成项将材料的固溶强化作用作为初始强度并设置不同物相在相变起始温度600℃与相变终止温度980℃之间变形中动态转变所引起的强度变化；位错强度组成项设置金属变形时内部的强化作用。

所述的强化作用包括：位错增殖、迁移和湮灭演变引起的强化作用，以及钛合金高速变形时连续再结晶机制发生的细晶强化作用。

所述的切削表面层晶粒尺寸是将钛合金材料经过高速切削变形后，已加工表面层的晶粒组织发生细化，根据金属位错胞形成机制，得到塑性变形金属发生连续再结晶后的晶粒尺寸。

所述的显微硬度预测模型是指：根据材料的显微硬度与其屈服强度的关系，结合钛合金材料塑性变形本构模型的表达式，得到材料在常温下的塑性流动应力表达式，进而得到切削表面层显微硬度方程。

所述的嵌入具体是指基于DEFORM有限元平台，利用其二次开发子程序模块，将模型输入到程序后，进行编译生成可执行文件并替换到DEFORM主程序安装目录下，即得到包含自定义模型的有限元数值模拟系统。