1、毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 Ti6Al4V 切削过程有限元分析 一、前言 近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂工程分析计算问题的有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器 、 国防军工 、 船舶 、 铁道 、 石化 、 能源 、 科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发生了质的飞跃，主要表现在以下几个方面 ： 1.增加产品和工程的可靠性 2.在产品的设 计阶段发现潜在的问题 3.经过分析计算，采用优化设计方案，
2、降低原材料成本 4.缩短产品投向市场的时间 5.模拟试验方案，减少试验次数，从而减少试验经费 。 有限元法 (FEM)已经成为金属切削过程仿真的有效工具 。 国际上早在 60 年代初就开始投入大量的人力和物力开发有限元分析程序，但真正的 CAE 软件是诞生于 70 年代初期，而近 15 年则是 CAE 软件商品化的发展阶段， CAE 开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，在大力推销其软件产品的同时，对软件的功能、性能，用户界面和前、后处理能力，都进行了大幅度的改进 与扩充。这就使得目前市场上知名的 CAE 软件，在功能、性能、易用性可靠性以及对运行环境的适应性方面，基本上满足
3、了用户的当前需求，从而帮助用户解决了成千上万个工程实际问题，同时也为科学技术的发展和工程应用做出了不可磨灭的贡献。目前流行的 CAE 分析软件主要有 DEFORM、NASTRAN、 ADINA 、 ANSYS、 ABAQUS、 MARC、 COSMOS 等。 DEFORM 是一套基于有限元分析方法的专业工艺仿真系统，用于分析金属成形及其相关的各种成形工艺和热处理工艺。二十多年来的工业实践证明了基于有限元法的 DEFORM 有着卓越的准确性和稳定性，模拟引擎在大流动、行程载荷和产品缺陷预测等方面同实际生产相符，保持着令人叹为观止的精度，被国际成形模拟领域公认为处于同类型模拟软件的领先地位。 DE
4、FORM-3D 是在一个集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性进行模拟仿真分析。适用于热、冷、温成形，提供极有价值的工艺分析数据。如：材料流动、模具填充、锻造负荷、模具应力、晶粒流动、金属微结构和缺陷产生发展情况等。 DEFORM 不同于一般的有限元程序，是专为金属成形而设计、为工艺设计师量身定做的软件。 DEFORM 可以用于模拟零 件制造的全过程，从成形、热处理到机加工。 DEFORM 主旨在于帮助设计人员在制造周期的早期能够检查、了解和修正潜在的问题或缺陷。 DEFORM 具有非常友好的图形用户界面，可帮助用户方便地进行数据准备和成形分析。这样，工程师们便可把精力主要集中在工艺分
5、析上，而不是去学习繁琐的计算机软件系统。 DEFORM 通过在计算机上模拟整个加工过程，帮助工程师和设计人员： 设计工具和产品工艺流程，减少昂贵的现场试验成本。 提高模具设计效率，降低生产和材料成本。 缩短新产品的研究开发周期。 分析现有工艺方法存在的 问题，辅助找出原因和解决方法。 二、课题研究背景 近年来，随着我国国民经济的持续快速发展，人民生活水平不断提高，钛和钛合金材料逐渐进入了民用领域 1。由钛及钛合金板、管、带、丝、箔、饼、环等加工材和多种金属复合材制成的钛产品，在医疗、体育、眼镜、手表、洗衣机等日用消费品领域得到应用，受到市场的青睐，未来的市场十分巨大。 目前，世界上能进行钛工业
6、生产的只有美国、俄罗斯、日本、中国和欧洲的少数国家。而我国具有钛资源的优势，在全球，我国的钛资源占各国之首位。据统计，我国已探明拥有 8.7亿吨的资源储量，是世界已探 明储量的 60%左右。所以，发展钛材制品在我国有着得天独厚的有利条件。特别是近 10年来，我国经济的高速发展，人们对物质消费的需求向高档次发展，钛及钛合金开始由航天、航空、国防军工领域逐渐进入到民用消费领域 2。诸如体育休闲业的钛高尔夫球杆以及钛镜架、钛手表、钛自行车等产品，对钛的需求在不断增大。据悉，仅制作高尔夫球头及球杆所消耗的钛已超过 1000吨 。此外，钛材及钛合金制品在建筑领域的应用也在逐渐扩大。国家大剧院屋顶用钛 -
7、不锈钢复合板，将覆盖的面积达 30000平方米 ，这是我国建筑领域首次应用钛材，开创了建筑领 域的先河，由此必将带动我国建筑市场钛材的应用。由于民用领域对钛的需求逐年增长，使我国钛工业得到较快发展。第一个实用的钛合金就是 1954年美国研制成功的 Ti-6Al-4V合金，由于它的耐热性、强度、塑性、韧性、成形性、可焊性、耐蚀性和生物相容性均较好，因而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用量已占全部钛合金的 75%85%。 钛合金产品具有优异的使用性能，但钛合金材料也属于典型的难切削材料。其硬度大于 HB350时切削特别困难，小于 HB300时则容易出现粘刀现象 3。在加工过程中，具有变形系数小
8、，切 削温度高，单位面积上的切削力大，冷硬现象严重，刀具易磨损等切削特性。所以研究钛合金的切削加工工艺，对提高切削效率，延长刀具寿命和提高加工精度具有实际意义 4。 在金属切削加工中，切削力、切削温度和刀具的磨损是反映切削过程的主要指标，特别是切削力，其用范围更广 5。在切削过程中，直接决定着切削热的产生，并影响刀具磨损、破损和使用寿命，工件加工精度以及已加工表面的质量 6。传统的切削研究，主要是从切削理论和切削试验两个方面来进行。长期以来，许多学者对切削力预报做了大量的理论研究工作，期望从理论上获 得切削力的计算公式，但由于影响切削力的实际因素众多，切削的过程十分复杂，给建立切削力的理论模型
9、带来很大的困难。利用正交试验获得的切削力的试验数据，通过回归分析得出经验公式是生产中比较常用方法，但当加工条件有较大变化时，利用经验公式计算得到的结果会与实际相差很大，通用性不强 7。 切削过程的建模和仿真在改进切削刀具的设计和优化切削参数方面有很大的发展潜力。有限元法逐渐成为切削过程的研究和仿真的一种有效手段。 有限元分析是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域 组成，对每一单元假定一个合适的 (较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件 (如结构的平衡条件），从而得到问题的解 8。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代
10、替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段 。 三、国内外研究现状 钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等优异的综合力学性能而被广泛用于航空、航天、船舶、石油、化工、兵器、电子等行业。 15年前国外高度重视新型钛合金的研制 , 近几年国外更重视钛合金性能 改性和挖潜。国内从钛合金研发开始一直重视新型钛合金研制 , 10年前重点是仿制 , 之后是既创新又仿制 , 目前以创新研制为主。然而钛合金也存在着工艺性差，切削加工困难的特点。硬度大于 HB350时切削加工特别困难，小于 HB300时则容易出现粘刀现象，也难于切削。
11、但钛合金的硬度只是难于切削加工的一个方面，关键在于钛合金本身化学、物理、力学性能间的综合对其切削加工性的影响 13。钛合金切削加工有如下困难特点： (1)变形系数小：这是钛合金切削加工的显著特点，变形系数小于或接近于 1。切屑在前刀面上滑动摩擦的路程大大增 大，加速刀具磨损。 (2)切削温度高：由于钛合金的导热系数很小 (只相当于 45号钢的 1/5 1/7)，切屑与前刀面的接触长度极短，切削时产生的热不易传出，集中在切削区和切削刃附近的较小范围内，切削温度很高。在相同的切削条件下，切削温度可比切削45号钢时高出一倍以上。 (3)单位面积上的切削力大：主切削力比切钢时约小 20，由于切屑与前刀
12、面的接触长度极短，单位接触面积上的切削力大大增加，容易造成崩刃。同时，由于钛合金的弹性模量小，加工时在径向力作用下容易产生弯曲变形，引起振动，加大刀具磨损并影响零件的精度。因此 ，要求工艺系统应具有较好的刚性。 (4)冷硬现象严重：由于钛的化学活性大，在高的切削温度下，很容易吸收空气中的氧和氮形成硬而脆的外皮；同时切削过程中的塑性变形也会造成表面硬化。冷硬现象不仅会降低零件的疲劳强度，而且能加剧刀具磨损，是切削钛合金时的一个很重要特点。 (5)刀具易磨损：毛坯经过冲压、锻造、热轧等方法加工后，形成硬而脆的不均匀外皮，极易造成崩刃现象，使得切除硬皮成为钛合金加工中最困难的工序。另外，由于钛合金对
13、刀具材料的化学亲和性强，在切削温度高和单位面积上切削力大的条件下，刀具很容易产生粘结磨损。 车削钛合金时，有时前刀面的磨损甚至比后刀面更为严重；进给量 f0.2 mm/r时，前刀面将出现磨损；用硬质合金刀具精车和半精车时，后刀面的磨损以VBmax0.4 mm较合适。 综上所述，关于钛合金的切削加工一直都是研究热点，学者专家们从不同角度对钛合金的切削加工的现状做了研究。 3.1钛合金切削加工研究现状 早在 20 世纪五六十年代，美国、英国、日本等发达国家就开始围绕钛合金加工中的刀具寿命、切屑形成、切削温度、切削力等开展了大量的研究工作。Lockheed 公司早在 1951 年就进行了钛合金铣削试
14、验 14。 Komanduri 最早系统地研究了正交切削钛合金时的切屑变形，并提出了锯齿状切屑的突变剪切失稳理论。 Jawaid 等研究了钛合金 Ti-6246的刀具磨损试验，研究表明细晶粒刀具和经过研磨的刀具具有较好的耐磨性能 15。 Hong 和 Markus等用液氮来加工钛合金，对液氮浇注方法进行了研究，采用微型喷嘴并直接安装在刀具表面和断屑台之间，液氮直接喷在了刀尖部位，避免了浪费，有效地延长了刀具耐用度。 Nouari 和 Iordanoff 用离散元法分析了钛合 金切削的刀具磨损，研究表明运用离散元法可有效帮助控制刀屑接触 16。由于世界主要发达国家都有自己的切削数据库（如美国的
15、Cutdata、德国的 Infos、瑞典的 Coromant 切削数据库），所以对钛合金的切削加工性研究都比较系统。我国对钛合金的研究起始于 1954 年北京有色金属研究总院。 50多年来，我国不少单位和科研院校对钛合金的切削加工性进行了大量研究，取得了一定成果。耿国盛通过对铣刀磨损的正交试验和对铣削力的测量，完成了对 21s钛合金的铣削加工性的考察评估，并通过试验获得了经过优化的铣削加工参数。齐 德新对铣削钛合金 BT20时的切屑形态、切削力、刀具磨损、破损形态及机理进行了研究，对刀具材料、合理几何参数、最佳切削用量进行优选，在此基础上研制出适用该材料的新型端面铣削刀具 17。满忠雷、何宁等
16、基于绿色切削的理念，用硬质合金刀具进行了高速铣削钛合金的单因素试验，得出了径向切深、轴向切深、每齿进给量和铣削速度对铣削力的影响规律；并比较分析了干铣削、氮气油雾和空气油雾介质下铣削力的变化特点 18。石磊从化学、物理和力学性能 3 个方面对刀具材料与钛合金性能匹配进行了研究，建立了钛合金切削刀具选择系统模型。总 体来讲，我国对钛合金切削加工性的研究与欧美发达国家相比仍有不小的差距，制约钛合金应用和发展的加工质量、效率、刀具磨损等问题仍有待进一步的研究。 3.2 有限元仿真方法研究现状 对于金属切削过程的有限元仿真，前人都作过深入的研究，现在大量的学者仍在进行着研究。 早期的学者们，如 Mer
17、chant， Piispanen， Lee and shaffer等人，由于当时的理论和设备的限制，建立的切削模型都是比较简单的，会忽略一些因素。 1950以后， E.D.Doyle、 w.B.Palmer、 K.J.Trigger等人开始将切削过程中的摩擦、高应变率、加工硬化和切削温度等更多的影响因素考虑进切削模型中，这样仿真计算的结果与实验测量值更为接近 19。 现在学者们建立的切削有限元模型主要有二维正交切削模型和三维斜交切削模型。二维正交切削模型相对来建模较简单，多用来研究可转化为平面问题的对象，如常用来研究车削加工过程。如 1980年， Lajczok为研究切屑的几何形状和切削力建立
18、了一个简化的正交切削模型 ;1982年， usui和 Maekawa为预测工件中应力、应变和温度的分布建立了一个稳态的正交切削模型 ;1984年， Iwata等人建立了一个低切削速度、低应变率下的稳态正交切削模型 ;1991年， KomvoPoulos和 Erpenbek为研究刀具和切屑之间的法向力和摩擦力，建立了金属正交切削模型。 2006年西安理工大学的梁磊，为研究刀具前角对剪切角的变化以及切屑的变形规律，和对切削温度场的研究，建立了弹塑性材料在正交切削条件下的二维有限元模型。 而实际加工中多数情况都属于三维斜交切削，如铣削加工，甚至车削加工多数也是斜交加工。因此三维有限元模型更接近切削加
19、工的物理过程，更具有实际意义。在应用三维有限元模型模拟的研究方面，学 者们也做了大量的工作。如 1973年美国 Illinois大学的 B.E.Klameek最先系统地研究了金属切削加工中切屑形成的原理，并用三维有限元模型分析了切屑形成的初始阶段 20。台湾科技大学的zone-chingLin等建立了热弹塑性三维斜角切削有限元模型，研究了切屑形成过程。 1995年 sasahara等人，在考虑了工件材料的几何非线性条件下，建立了金属切削的三维有限元模型，研究了切屑和工件中应力和应变的变化情况并且在加工前预测了切屑的流出方向。 2007年，吴红兵等利用三维斜角切削热力祸合有限元模型对钦合 金 T
20、i6Al4V的高速切削加工过程进行了模拟，研究了不同切削速度和不同切削深度下的已加工表面残余应力分布。由上述文献看来，三维斜交切削模型对切屑的形成和流向的预测研究有很大的作用。 总体而言，国内外关于金属切削过程的研究，一方面，在研究内容上，己从单因素试验进入到多因素试验，从静态观测进入动态观测，从宏观研究进入微观研究 ;另一方面，随着计算机技术的飞速发展，在研究方式上，已从单纯的实验研究，过渡到结合利用计算机进行数值模拟，使传统的研究方法嫁接上全新的理念，这将会给金属切削过程产生质的飞跃。 四、课题拟解决 的关键问题 学习有限元分析方法， 至少 掌握 一种 有限元分析软件，并运用有限元法仿真金
21、属的切削加工过程；通过 建立基于 Deform-3D 有限元软件平台的 Ti6Al4V 切削过程有限元仿真模型 ，对钛合金 Ti6Al4V 切削时的切削力、切削温度等进行研究 ，同时 获得钛合金 Ti6Al4V 切削时的应变、应变率、应力及切削温度的分布云图 。 五、研究的主要内容 本文 通过切削仿真分析，研究钛合金 Ti6Al4V 切削时的应变、应变率、应力及切削温度等分布；运用有限元法，研究切削速度等切削参数对切削温度、切削力的影响。 本文的研究对提高钛合金 零件加工效率和加工质量，实现其高效精密铣削加工，促进钛合金材料的推广应用具有重要的意义。 参考文献 1 陈永红 .民用钛合金的现状和
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