航空铝合金铣削三维表面形貌及其耐腐蚀性研究

摘要

航空制造业的水平代表了一个国家制造技术的先进程度,是高技术密集的产业。航空铝合金具有密度小、强度高、整体性能优越等优良特性,作为薄壁结构和整体框架在飞机的结构设计中大量使用,在飞机的加工制造中占有很大比例。在航空制造业中,高速切削加工、硬切削加工、干切削加工等新的切削加工工艺得到广泛应用。目前,对这些切削加工工艺的机理、刀具、工艺等研究越来越深入,但是在切削加工工艺对零件的耐腐蚀性方面的研究还较少。
　　腐蚀破坏问题在航空领域尤为突出,飞机结构腐蚀比机械疲劳破坏更为严重。沿海飞行的民用及军用飞机、舰载机等在海洋环境下,会加速金属的腐蚀,长此以往,会造成飞机的突然破坏甚至灾难,影响到飞机的可靠性、安全性、经济性和战斗力,危及人们的生命和财产安全。切削加工后的表面质量如表面形貌、残余应力、物理损伤等对其耐腐蚀性能影响很大,本文着重对表面形貌进行研究。
　　本文主要通过高速切削航空铝合金7050-T7451结构件来揭示切削加工工艺(主要是切削加工参数)对航空构件表面二维和三维形貌特征的影响,研究表面形貌特征对构件耐腐蚀性的影响规律,分析“切削加工工艺——航空构件表面形貌特征——构件耐腐蚀性”之间的关系。
　　通过高速铣削航空铝合金7050-T7451实验,揭示切削参数(切削速度和每齿进给量)对铝合金表面粗糙度和残余应力的影响规律。实验表明,采用涂层硬质合金刀具用三面刃盘铣刀高速铣削加工时,切削速度在1500m/min,每齿进给量在0.2mm左右时,可获得高质量的加工表面。低速铣削时,表面残余应力均呈现压应力,随着切削速度的增加,逐渐向拉应力过渡。
　　铣削加工后三维表面形貌采用参数表征法表征,采用傅里叶高斯滤波器来实现基准面和粗糙度的分离,得到表面三维粗糙度,计算与三维粗糙度峰谷相关的幅度参数。均方根偏差可Sq更好地描述表面粗糙度程度且Sq值越大表面越粗糙,表面高度分布的偏斜度Sq和陡峭度Sq这两个参数分别涉及到峰高谷深分布和陡峭程度,可以作为衡量表面耐腐蚀性强弱的一个参考指标。切削速度过高和过低时,表面产生很多凹坑或尖峰,这样的表面易积累腐蚀溶液,对表面耐腐蚀性不利;切削速度在(1000-1500)m/min时,表面相对“平坦”,耐腐蚀性最好。
　　采用盐雾腐蚀实验模拟海洋环境下铝合金7050一T7451的腐蚀情况,主要的腐蚀类型是点蚀伴有局部剥蚀。随着腐蚀周期增加,蚀坑的长度、宽度、表面积以及深度都在不断增大,数量不断增多,平面内蚀坑的形状由不规则图形、三角形逐步演变成圆形或椭圆形,且蚀坑大多沿着刀痕分布。腐蚀损伤评价指标采用腐蚀损伤度和平均腐蚀深度来评定,盘铣加工的工件,切削速度过高和过低对表面耐腐蚀性都不好,切削速度在1000m/min—1500m/min加工的试样耐腐蚀性最好;相同条件下,每齿进给量较小时加工的试样耐腐蚀性较好。
　　通过电化学实验研究表面形貌中表面纹理对耐腐蚀性的影响规律,通过自腐蚀电位和腐蚀速度来定量评估其耐腐蚀性。腐蚀与加工纹理有一定关联,抛光纹理表面的腐蚀速度最小,最耐腐蚀。
　　本课题得到国家自然科学基金项目(51175306)和山东省自然科学基金项目(ZR2010EQ041)的资助。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题研究背景

1.1.1 我国航空制造业的发展状况

1.1.2 航空铝合金在航空领域的应用

1.1.3 腐蚀在航空领域的危害

1.2 切削加工的表面形貌

1.2.1 表面形貌的定义

1.2.2 表面形貌研究发展概况

1.3 铝合金在海洋环境下的腐蚀

1.3.1 腐蚀的定义

1.3.2 铝合金海洋环境下主要腐蚀类型

1.4 存在的问题及课题的提出

1.5 课题研究的主要内容

第2章 高速铣削铝合金7050-T7451实验

2.1 表面粗糙度形成机理

2.1.1 表面粗糙度产生原因

2.1.2 理想正交铣削表面残留高度模型

2.2 残余应力分类与形成机理

2.2.1 残余应力的分类

2.2.2 残余应力的形成机理

2.3 高速铣削加工实验

2.3.1 实验条件

2.3.2 实验方案

2.3.3 表面形貌及粗糙度测量与分析

2.3.4 表面残余应力测量与分析

2.4 本章小结

第3章 表面形貌的三维表征

3.1 三维形貌测量方法

3.2 三维形貌表征方法

3.2.1 参数表征法

3.2.2 图像表征法

3.2.3 三维Motif表征法

3.2.4 分形表征法

3.3 表面形貌的三维表征

3.3.1 表面形貌的获取

3.3.2 表面形貌还原及matlab处理

3.3.3 表面数学模型建立

3.3.4 基准面建立及粗糙度分离

3.3.5 参数表征计算

3.3.6 实验结果及分析

3.4 本章小结

第4章 模拟海洋环境下的铝合金腐蚀损伤评价实验

4.1 实验方案

4.2 盐雾腐蚀实验

4.2.1 实验原理

4.2.2 实验介绍

4.2.3 腐蚀损伤形貌分析

4.2.4 腐蚀损伤评价指标

4.2.5 腐蚀损伤速率计算及分析

4.2.6 腐蚀后表面EDS分析

4.3 本章小结

第5章 表面纹理对耐腐蚀性影响

5.1 表面纹理的模拟

5.1.1 纹理角度的定义

5.1.2 表面纹理的模拟

5.2 电化学腐蚀实验

5.2.1 实验方案

5.2.2 三电极体系工作原理

5.2.3 实验过程

5.2.4 实验结果与分析

5.3 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

学位论文评阅及答辩情况表