TC21损伤容限型钛合金是目前我国高强韧钛合金综合力学性能匹配优异的钛合金材料。由于具有强度高、韧性高、损伤容限性能高(较低的疲劳裂纹扩展速率值和较高的疲劳裂纹扩展门槛值)、疲劳性能优良(优于普通TC4、TA15等中强度钛合金)、热处理工艺简单、锻造性好和焊接性能优异等综合性能,使得钛合金TC21适合制造大型整体锻造零件和大型焊接整体构件。目前,TC21钛合金已广泛应用于新一代战机的中后机身、机翼和起落架等对强度及耐久性要求高的重要或关键承力部件。TC21损伤容限型钛合金具有材料热导率低、切屑与前刀面接触面积小、钛的化学活性高和变形系数小等物理和化学性质,这就使其在切削时存在切削温度高、刀尖应力大、刀具磨损快和加工质量难以保证等问题。尤其对于采用此类材料的细长杆、起落架等一些具有典型结构特性的回转类零件,材料本身较差的切削加工性加上其结构的弱刚性,造成此类零件的加工一直存在加工易变形、加工精度难以保证和加工效率低等问题,制约了其在航空航天行业中的推广和应用。针对TC21钛合金加工过程中存在刀具耐用度和加工效率不高以及加工表面质量难以保证等突出问题,本文采用正交车铣方式对其切削加工性进行研究。通过对正交车铣加工表面形貌、正交车铣切削层几何形状仿真与建模、正交车铣切削力及加工稳定性等关键性问题的研究,深入开展了TC21钛合金正交车铣的切削加工性研究。具体研究内容如下:(1)正交车铣加工表面形貌的研究。确定了偏心量、铣刀轴向进给量、转速比和齿数的选定规则。通过正交车铣加工表面的横截面图形构造函数,建立了正交车铣加工表面宏观形貌的曲线轮廓解析模型,确定了宏观形貌的仿真算法,分析了切削参数对宏观形貌的影响规律。在建立刀具坐标系下刀刃的解析模型以及工件坐标系下工件、刀刃的解析模型的基础上,确定了微观形貌的仿真算法,进行了试验验证和仿真分析,预测了正交车铣微观形貌和加工表面粗糙度的变化。该研究内容在保证合理表面形貌和表面粗糙度的前提下,为正交车铣切削参数的优选提供了理论依据和指导。(2)正交车铣切削层几何形状仿真与建模的研究。根据正交车铣的运动规律,结合NX 8.5软件提出了正交车铣切削层几何形状的仿真方法,并进行了试验验证和仿真分析。根据刀具底刃的位置,提出了正交车铣不同切削层几何形状类型的判断方法。根据正交车铣不同类型切削层几何形状的形成过程,建立了相应切削层几何形状的解析模型。该研究内容为正交车铣切削层几何形状的变化提供了定量分析依据,为正交车铣切削力的仿真提供了理论基础。(3)正交车铣切削力及加工稳定性仿真与分析。基于正交车铣切削层几何形状的解析模型,建立了正交车铣切削力解析模型,对正交车铣切削力进行了仿真和验证,分析了切削参数对正交车铣切削力的影响规律。基于再生颤振理论,建立了正交车铣动态切削力解析建模,采用完全离散法进行了正交车铣颤振稳定性建模与仿真,绘制了正交车铣加工过程的稳定性叶瓣图,分析了轴向进给量对正交车铣加工稳定性的影响。该研究内容从降低切削力和切削力波动、提高刀具耐用度的角度出发,优选了正交车铣切削参数。(4)TC21损伤容限型钛合金正交车铣的切削加工性研究。通过刀具磨损试验,确定了TC21钛合金正交车铣的优化参数。通过扫描电镜和能谱分析的手段,分析了正交车铣刀具的磨损机理。从刀具耐用度、加工效率和加工表面完整性三方面,对TC21车削和正交车铣的结果进行了对比和分析,探讨TC21正交车铣的切削加工性。该研究内容分析和验证了正交车铣在以TC21为代表的高强韧性难加工材料上的加工优势。