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如何加工出高性能的镍铝青铜螺旋桨?
先进制造
2018-08-28 11:15
作者  杨文玉

即便是加工表面层潜在的状态变化,也会对整个构件乃至整体装备的服役性能产生巨大的影响。加工表面完整性形成机理、残余应力的预测与评价、铣削工艺参数控制是至关重要的3个方面。

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在60多年前,英国在船用螺旋桨中采用了一种多相合金——铸造镍铝青铜,这种合金不仅在海水中的抗腐蚀疲劳性能极佳,而且耐空泡、冲刷和应力腐蚀,并且具备高强度重量比、易维修性与铸造特性等诸多优点,是应用于海洋工程领域(尤其是船用螺旋桨,如可调距螺旋桨)的绝佳材料。自此之后,这种合金受到世界海洋工程领域的欢迎,进而成为螺旋桨中广泛使用的构件材料。

尽管镍铝青铜合金铸件本身具备诸多优势,但要更好地用于可调距螺旋桨等重要推力部件,还要对构件毛坯进行高质量的加工,因为加工表面的状态对服役性能具有显著影响,而这些状态与加工过程能量的分布和流动密切相关。例如,加工过程中热能、机械能的耦合作用会导致零件表面及亚表面层微结构的非协调应变,而对于具有多相微结构的螺旋桨镍铝青铜材料,这些非协调应变将带来复杂的相间作用,导致不确定甚至是不利的表面残余应力状态。一般情况下,不当的加工会导致更高的温度和过度的塑性变形。而加工表面含有残余拉伸应力的零部件,在作业工况的频繁交变应力作用下易导致典型的腐蚀疲劳、应力腐蚀失效问题。

那么,如何才能加工出高性能的镍铝青铜零部件?为了寻找答案,华中科技大学与中国船舶重工集团武汉船用机械有限责任公司组成研究团队,在镍铝青铜材料加工工艺方法、加工残余应力形成机理、加工性能测量评价3个方面展开了系统研究。

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表面完整性:采取何种研究思路?

在加工零件表面时,有两个重要的方面必须加以控制:其一涉及表面的几何不规则性;其二涉及表面和表面层的冶金和力学性能的改变,也被称为表面完整性,描述了表面功能性能的潜在状态。后者可以描述和控制表面层在制造过程中产生的许多可能的变化,包括它们对材料性能和在服役过程中表面性能的影响。

与切削加工过程相关的表面完整性生成机制,主要取决于热-力作用下单位面积的功率密度。加工中许多相互关联的因素具有复杂关系,加工表面是切削过程及其选择的加工数据的直接结果。为了获得期望的表面完整性,需要对制造工艺进行选择和控制,评估其对工程材料的重要工程特性的影响。

当所制造的构件必须承受高幅的动态应力时,表面完整性变得极其重要,例如,动力定位推进器的螺旋桨所承受的动态载荷是设计中的主要因素,有效强度会受到材料疲劳特性的限制。而镍铝青铜合金是在这些应用中使用的典型的耐腐蚀和高强度合金。残余应力以平均应力的形式影响螺旋桨的力学性能。在交变载荷情况下,残余应力是作为平均应力叠加在动态应力上的,如果残余应力的符号与加载应力相反,则容许的动态应力幅值增大。在弹性范围内,可以将残余应力作为静态载荷;超出弹性范围时,残余应力松弛。残余应力也可以通过施加机械或热能松弛。松弛依赖于多个因素的复杂相互作用,如应力幅值、交变载荷的次数、温度、初始残余应力状态以及材料的微结构与机械性能。与加载应力相比,残余应力的状态非常重要。例如,研究团队研究的5000千瓦级大功率推进器螺旋桨,其工作载荷最大等效应力可以高达120兆帕,表面完整性的重要性更加显著。

基于上述认识,研究团队最终提出了“加工工艺参数及其控制—表面完整性参数—提升功能性能”的研究思路与方法。

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残余应力:如何预测和评价?

与铣削加工相关的典型表面改变包括表层残余应力、硬度变化、裂纹(宏观和微观)等。由于加工中产生的残余应力及导致的变形是大型复杂曲面桨叶的典型问题,这就涉及刀具磨损与断屑行为以外的因素,可以认为传统的可加工性并非十分关键,着眼于切削功率、刀具磨损、断屑及其效应的传统可加工性评价也就不再适用。随着对加工表面完整性与服役性能的关注日益增加,研究人员转而从微结构及宏观力学性能角度考虑合金加工性能及质量的评价因素体系。

材料在经历切削力/热载荷作用后,所产生的自平衡应力被定义为加工残余应力。通常第一类(宏观的)残余应力用于表示各相之间的应力及变形协调行为,后者使应力在材料的基体上处于平衡状态。对于螺旋桨类的复杂曲面的大型动力部件,第一类残余应力是影响其功能性能的潜在状态的重要因素。镍铝青铜合金微结构包括α相(固溶体)、多个κ相(金属间化合物)子类等多达5~6相。对于螺旋桨等海洋工程应用,镍铝青铜合金通过组合多种元素成分与微结构,获得了优异的耐腐蚀性、韧性和适当的强度。但是各相的刚度存在明显差异,使得加工制造导致的残余应力十分显著,并且后续对力和力矩平衡的任何干预都将改变其形状尺寸,产生残余应力导致的扭曲变形效应。其产生的表面变化通常对材料的静态机械强度影响较小,但对疲劳强度降低的潜在影响较大。

随之而来的问题是,这种适用于抗腐蚀疲劳应用的多相合金常常难以预测加工中的材料状态及效应。

机械加工表面残余应力是由力/热作用下的非均匀应变引起的。由于镍铝青铜合金组织的相变温度条件,在合理的切削参数与温度条件下,可以避免发生微观组织改变,而在没有相变时,热梯度会导致拉伸残余应力。这是因为工件表面层通过塑性变形和刀具-工件摩擦加热,处于比工件的基底更高的温度。当零件冷却时,在高温下膨胀的表面层收缩超过基底。非均匀的收缩导致表面的残余拉应力。真实的应力场是将机械应力和热应力进行叠加。

应力场分析是准确预测残余应力的前提。研究团队在研究中建立了时变的温度场和应力场模型,实现了对温度场和应力场分布的预测。其中考虑了热应力的引入带来的效应,反映出工件内的温度和应力与时间的关系。基于上述原理,研究得到了镍铝青铜应力场的分布:应力等值线围绕着刀尖前的辐射中心呈放射状分布,靠近中心的应力值和应力变化梯度较大,远离中心的较小。

在切削加工温度场和应力场模型的基础上,研究团队进一步建立了残余应力模型,根据边界条件建立应力释放方程组及输入条件,进而求解得到残余应力。通过对工件内不同深度的点进行应力释放,可以获得不同深度下的残余应力。这些预测方法的准确性取决于本构模型的精度、应力和温度。与商品化的有限元程序计算的残余应力以及X射线衍射测量相比较,研究数据显示出良好的计算和测量值之间的一般相关性。

从能量平衡方程的角度看,对材料加载所做的功等于塑性功、弹性应变能、动能以及克服断裂韧性所做的功与摩擦所做的功。这里弹塑性应变能与韧性功反映了“材料吸收能量的能力”,这两项可以通过对整个加载-位移曲线下的面积积分来得到。而残余应力则对应机械作用卸载后,加载与卸载曲线之间的面积。由此,研究团队建立了基于压痕的残余应力测量方法,并设计实现了测量装置,有效支持了对加工产生的残余应力的测量评价。

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铣削工艺参数:如何选择和控制?

根据切削力学理论,材料的实际状态是由最小能量耗散原理所决定的。非均匀应变引起的残余应力主要受制造方法的影响。这为研究团队从切削加工能量控制的角度,通过对工艺参数进行选择形成加工表面残余应力状态提供了依据。目的是在镍铝青铜铣削加工过程中,通过对多轴铣削工艺进行规划,实现只产生低水平的残余拉应力,甚至产生残余压应力。对于螺旋桨制造中的镍铝青铜材料切削加工来说,需要在切削力学理论基础上建立预测模型,结合工艺实验设计、表面性能测试来实现工艺变量的选择与控制。

铣削区别于其他加工过程的主要特点在于:当铣刀的齿交替地啮合和离开工件时,会发生断续的切削;铣削加工中切屑尺寸相对较小;每个切屑本身厚度之间有变化。在铣削过程中存在刀齿切入、啮合与切出3个阶段,当切屑形状为厚进薄出时,刀具对工件材料表面产生挤压作用,即通常所说的顺铣过程,这对于产生压应力是有利的;反之,薄进厚出的切屑表明加工表面倾向于拉应力。

螺旋桨铣削中一般采用环形铣刀,其刀具几何、切削速度、切深与进给量对材料状态的影响十分复杂。由于多参数之间存在复杂的耦合作用,仅通过切削理论模型难以给出工艺参数选择的启发信息,也就无法得到对于期望残余应力的有效控制变量。因此,建立具体工艺与表面性能之间的关联方法十分重要,这在工业应用中也是令人十分感兴趣的问题。

为此,研究团队提出了工艺参数选择与控制的参数反演方法,以建立与目标残余应力状态在统计意义上具有显著关联的关键工艺参数。在所建立的铣削模型中,把工艺参数作为控制变量输入,以切削温度和残余应力状态作为输出,从以下角度划分基本变量:几何学变量、运动学变量、力学变量、传热学变量。在实际切削中,一个工艺控制变量的改变会引起某些状态变量的改变。最终,研究团队通过正交试验设计,结合对残余应力状态的充分测试与数据分析,获得了与残余应力状态相关的工艺参数,作为有效的控制变量。  

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通过以上3方面的探索,研究团队揭示了工艺与零件切削变形区域应力应变场分布之间的关联规律,对多输入变量与工艺条件对材料状态的复杂作用机理进行了深入挖掘,有效实现了切削参数、工艺条件等对表面完整性影响的定量评估。对镍铝青铜合金表面加工状态的掌控,将有效提升整个零部件乃至整体装备的服役性能,为驶向深海再添动力。

致谢:感谢国家973计划课题“复杂曲面零件切削加工能量调控与表面完整性形成原理”(课题编号:2014CB046704)的支持。

本文刊登于IEEE Spectrum中文版《科技纵览》2018年6月刊。

作者:杨文玉、黄坤

(杨文玉:华中科技大学机械科学与工程学院教授、博士生导师。主要研究方向为先进机器人技术,数字制造与智能装备等领域。主持或作为主要负责人参与国家973计划项目课题、国家重大科技专项课题、国家自然科学基金重点项目与企业委托关键装备研发等多项科研项目。

黄坤:华中科技大学机械科学与工程学院博士后。)

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