锥形球头刀具四轴铣削TC4钛合金V型结构的残余应力三维分布建模与实验验证

本研究针对四轴铣削TC4钛合金V型结构时刀具倾角动态变化导致残余应力三维分布不均、引发零件超差变形的问题，通过建立结合双曲正切函数和刀具倾角动态映射的残余应力三维分布计算模型，实现了对铣削残余应力u-v-h空间分布的有效预测。实验验证表明模型平均预测精度达93.56%，为航空发动机复合材料风扇叶片前缘保护罩的残余应力变形控制提供了理论基础。

　　

在航空发动机制造领域，TC4钛合金因其优异的高强度重量比和抗冲击性能，被广泛应用于复合材料风扇叶片前缘保护罩等关键部件的加工。这类薄壁结构件通常采用四轴铣削工艺进行精密制造，但加工过程中存在一个长期困扰工程师的难题：随着刀具倾角的动态变化，工件表面会形成不均匀的三维残余应力分布，导致零件产生超出公差范围的弯曲-扭转变形，严重影响发动机的气动性能和结构可靠性。

传统研究多聚焦于残余应力沿深度方向的分布规律，而对工件表面其他两个空间维度上的应力分布特性关注不足。特别是当使用锥形球头刀具进行四轴铣削时，刀具倾角的连续变化会显著改变刀具-工件接触几何、切削力方向和热载荷分布，使得残余应力在工件表层呈现复杂的空间非均匀分布。这种三维应力不平衡已成为制约航空航天薄壁构件加工精度提升的技术瓶颈。

为攻克这一难题，西北工业大学机械工程学院的齐琪、周金华等研究团队在《Journal of Materials Research and Technology》上发表了最新研究成果。研究人员创新性地将双曲正切函数表征模型与刀具倾角动态映射相结合，建立了适用于V型结构四轴铣削的残余应力三维分布计算模型。该模型通过参数化表征残余应力剖面特征，引入切线点局部表面坐标(u,v)作为变量，构建了能够反映刀具空间姿态变化的u-v-h三维应力分布预测方法。

关键技术方法包括：通过钛合金试块表面残余应力测试和薄板变形挠度测量，采用逆识别法确定双曲正切模型关键系数；基于刀具倾角与模型系数的响应关系，建立残余应力与倾角、深度的二元映射；通过坐标变换将倾角变化参数化为切线点表面坐标的连续函数，最终实现三维应力分布建模。

研究结果显著揭示了TC4钛合金V型结构铣削残余应力的空间分布规律：

2.1. 残余应力剖面的参数化表征

通过双曲正切函数σ(x) = k·tanh(ω·x/λ₂)·λ₁成功表征了残余应力沿深度方向的衰减特性，其中系数k和ω可通过表面残余应力和薄板变形数据逆识别确定。

2.2. V型结构u-v-h三维残余应力建模

建立了考虑刀具空间姿态动态变化的残余应力分布模型σ(u,v,h)。研究表明，在u方向残余应力保持恒定，v方向应力随倾角变化呈先减小后增大的非线性趋势，h方向应力沿深度逐渐衰减至基体应力水平。

3.3. 残余应力剖面的确定

实验数据显示，当倾角从45°增至85°时，表面残余应力在σ_x方向(125.46-172.39 MPa)和σ_y方向(102.34-124.86 MPa)均呈现先减后增规律，残余应力影响层深度约70-80 μm。

4.1. u-v-h三维残余应力分布计算

通过非线性回归分析建立了刀具倾角与模型系数的映射关系，预测精度达95.10%。三维分布云图清晰显示了应力值在v方向的梯度变化和h方向的指数衰减特征。

4.2. 验证与讨论

V型结构四轴铣削实验验证表明，表面残余应力预测误差在σ_x方向平均为3.92%，σ_y方向为4.84%。残余应力剖面预测曲线的加权平均精度达到93.56%，证实了模型的有效性。

该研究通过建立精确的三维残余应力分布预测模型，揭示了刀具倾角动态变化对铣削残余应力空间分布的影响机制。研究不仅为航空航天薄壁构件加工变形控制提供了理论依据，提出的逆识别方法为复杂曲面零件残余应力预测开辟了新途径。特别是对复合材料风扇叶片前缘保护罩等关键部件的制造工艺优化具有重要指导意义，有望显著提升航空发动机的制造精度和服役性能。未来研究可进一步拓展至五轴加工等更复杂的制造场景，推动航空航天制造技术向数字化、智能化方向发展。