1、本科毕业论文（20 届）Ti6Al4V 切削过程有限元分析所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文II摘要在金属切削加工中，对切削过程的研究有着重要的意义。切削温度、切削力以及刀具的磨损是反映切削过程的主要指标和因素。其中切削力使用范围最广，在切削过程中，它直接决定着切削热的产生，并影响工件加工精度以及己加工表面的质量，刀具破损、磨损和其使用寿命等。先前的切削研究，一般是从切削试验和切削理论两个方面来进行。由于影响切削力的实际因素众多，切削过程十分复杂，给建立切削力的理论模型带来很大的难度。所以一直以来，众多学者专家对切削力的预
2、报作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。生产中比较常用的方法是利用正交试验获得切削力的试验数据，通过回归分析得出经验公式，但当加工条件变化较大时，利用经验公式计算得到的结果与实际相差很大，通用性不强。在改进切削刀具的设计和优化切削参数方面，切削过程的建模和仿真具有有很大的发展潜力，其中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。本文的主要目的就是建立一个钛合金切削过程仿真的有限元模型，预报刀具应力、切削力和切削温度。在预先收集工件流动应力数据和在高应变率、高温下的摩擦系数的基础上，利用有限元软件 DEFORM仿真切削过程。论文的研究结果表明，金属切削仿真能够对切削过
3、程的各主要物理要素进行理论预报，可以为新材料切削加工性能研究和新工艺机理研究提供可行或可能的方法，对高效、低耗地进行金属切削研究具有重要意义。关键词:钛合金；金属切削；有限元法；切削仿真本科生毕业论文IIIABSTRACTIn the field of metal cutting, it has an important significance to the investigation of the cutting process. cutting temperatures,Cutting forces and tool wear are the major indexes and fact
4、ors reflecting cutting process. Especially, cutting forces are widely used. In the cutting process, it directly decides generation of heat and plays a serious role in tool wear and life, precision of work piece, quality of the cut surface and etc. The conventional study begins with the experiments o
5、f metal cutting and the theory. In a long time, much more theoretical investigation and experts had been done to find out more precise theoretical formula to calculate the cutting force. However, the large number of interrelated parameters that influence the cutting forces and the complicated cuttin
6、g process bold back the study. Presently, it is usual way to study the relation between cutting force and cutting parameters through the experiential formula drawn from the orthogonal cutting experiment. However, it cant meet the requirement of predicting and control of cutting force because of its
7、poor universal utilization.Modeling and simulation of cutting processes have the potential for improving cutting tool designs and selecting optimum conditions. Finite element method is becoming one of effective method to research and simulate the cutting processes. The main objective of this study w
8、as to develop a FEA model for simulating the cutting process in turning and tool streeses，predict cutting forces and temperatures using finite element analysis. Using FEA software Deform, previously developed flow stress data of the work piece and friction coefficient is used.The results indicate th
9、at simulation of metal cutting process can predict the main physical phenomena in machining and provide a feasible way to study new materials and new technics. It has a special significance to the manufacture of matel with high efficient and low cost.Key Words: Titanium alloys；Metal Cutting；Finite E
10、lement Method；Cutting simulation本科生毕业论文IV目 录摘要 .IABSTRACT .II第一章 绪论 .11.1 背景及意义 .11.2 国内外研究现状 .11.2.1 金属切削实验研究方法现状 .21.2.2 有限元仿真方法研究现状 .31.2.3 钛合金切削加工研究现状 .41.3 本文主要研究内容及拟解决的关键问题 .4第二章 有限元分析方法的发展及应用 .52.1 有限元法的概述 .52.2 有限元法的发展 .62.3 有 限 元 法 的 应 用 .62.3.1 有限元法在金属切削加工过程中的应用 .62.3.2 有限元法在机电工程上的应用 .62.3
11、.3 有限元法在汽车产品开发中的应用 .72.4 有限元软件的介绍 .72.4.1 DEFORM-3D 有限元软件概述 .82.4.2 DEFORM-3D 的特点 .82.4.3 DEFORM-3D 的主界面 .82.4.4 DEFORM-3D 的模块结构 .92.5 DEFORM-3D 有关功能模块在本课题研究中的应用 .10第三章 钛合金的性质和力学性能分析 .123.1 钛合金的性质 .123.2 钛 合 金 Ti6Al4V 力学性能分析 .13本科生毕业论文V3.2.1 钛合金 Ti6Al4V 基本物理属性 .133.2.2 钛合金 Ti6Al4V 的静态力学性能 .133.2.3 钛
12、合金 Ti6Al4V 的动态力学性能 .14第四章 基于 DEFORM-3D 的 Ti6Al4V 切削模型的建立 .164.1 几何及材料模型的建立 .164.1.1 几何模型的建立 .164.1.2 材料模型的建立 .174.2 有限元网格的划分 .174.3 刀屑分离准则 .184.4 建立摩擦模型 .184.5 刀具磨损模型的建立 .194.6 热力耦合分析技术及传热边界条件 .20第五章 Ti6Al4V 切削模型计算结果及分析 .225.1 Ti6Al4V 切削过程的模拟结果 .225.1.1 Ti6Al4V 切削的形成过程 .225.1.2 切削力的提取 .235.1.3 切削应力的
13、分布 .245.1.4 切削应变的分布 .255.1.5 切削温度场的分布 .265.1.6 刀具刀面的磨损分布 .265.2 各切削参数对切削力的影响 .275.2.1 切削速度对切削力的影晌 .275.2.2 进给量对切削力的影响 .285.2.3 切削深度对切削力的影响 .285.3 各切削参数对切削温度的影响 .285.3.1 切削速度对切削温度的影响 .285.3.2 进给量对切削温度的影响 .295.3.3 切削深度对切削温度的影响 .30结论与展望 .31致谢 .32参考文献 .33本科生毕业论文VI本科生毕业论文1第一章 绪论1.1 背景及意义近年来，随着我国国民经济的持续快速
14、发展，人民生活水平不断提高，钛及钛合金材料逐渐应用到了民用领域。由钛及钛合金环、丝、带、管、饼、箔、板等加工材料和多种钛产品，在体育、医疗、洗衣机、手表、眼镜等日常用品领域得到广泛应用，受到民众的青睐，未来的市场十分巨大。目前，世界上能进行钛开发和生产的国家只有俄罗斯、美国、中国、日本和欧洲的一部分国家，而我国钛储量是最大的。据统计，我国已发现拥有8.7亿吨的钛资源储量，占了世界已发现钛总储量的60%。因此，对于我国发展钛材制品是非常有利的。尤其是近10年来，我国经济的快速发展，人们对物质消费的需求越来越高，钛及钛合金开始由国防军工、航空、航天领域逐步进入到民用消费领域。像比如钛手表、钛镜架、
15、钛自行车以及钛高尔夫球杆等产品，对钛的需求量在逐渐的增大。有资料表明，光光制作高尔夫球杆和球头所使用的钛就超过了1000吨。另外，在建筑领域钛材和钛合金产品的需求也在逐渐增大。比如在我国建筑领域首次应用钛材的国家大剧院，其屋顶用的是钛不锈钢复合板，覆盖了大约30000平方米，这在我国的建筑领域还是头一回，因而肯定会带动我国建筑市场上钛材的应用。因为民用领域对钛的需求也在逐年增长，由此使我国钛工业得到较快发展 1。1954年，美国研制成功了第一个实用的钛合金Ti-6Al-4V，由于它的强度、塑性、韧性、可焊性、成形性、耐蚀性、耐热性和生物相容性均比较好，因而成为钛合金工业中的王牌合金，该合金使用
16、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，然而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。在加工过程中，具有切削温度高，变形系数小，冷硬现象严重，单位面积上的切削力大，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。1.2 国内外研究现状钛合金因具有耐热性高、耐蚀性好、比强度高等优异的综合力学性能而被广泛用于航空、航天、石油、化工、船舶、兵器、电子等行业 2。15年前国外高度重视新型钛合金的研制,近些年国外更重视钛合金性能的挖潜和改变。我国从钛合金研发开
17、始一直重视新型钛合金的研制,10年前重点是仿制,之后便是既创新又仿制,目前以创新研制为主。然而钛合金也存在着切削加工困难，工艺性差的特点。当硬度大于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。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物理、化学、力学性能间的综合对其切削加工性的影响。钛合金切削加工有如下困难特点：(1)冷硬现象严重：钛的化学活性大，在高的切削温度下，很容易吸收空气中的氮和氧形成硬而脆的外皮，同时切削过程中的塑性变形也会造成表面硬化 3。冷硬现象不仅会加剧刀具磨损而且还会降低零件的疲劳强度，是切削钛合金时的一个很重要难点。本科生
18、毕业论文2(2)单位面积上的切削力大：切屑时与前刀面的接触长度很短，单位接触面积上的切削力大大增大，易造成崩刃。在加工时，因为钛合金的弹性模量小，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，要求工艺系统要具有很好的刚性。(3)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。此外，在单位面积上切削力大和切削温度高的条件下，由于钛合金对刀具材料高强的化学亲和性，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。当f0.2 mm/r时，前刀面将出现磨损；当
19、进给量f0.1 mm/r时，磨损主要发生在后刀面上；用硬质合金刀具精车和半精车时，后刀面的磨损以VBmax0.4mm较合适。(4)变形系数小：钛合金切削加工的显著特点。切屑时，前刀面上的滑动摩擦的路程大大增加，刀具磨损加速。(5)切削温度高：钛合金的导热系数很小，切屑时与前刀面的接触长度极短，不易传出切削时产生的热量，由此热量就集中在切削刃和切削区附近的小范围内，造成切削温度很高。综上所述，金属的切削加工一直都是研究难点以及热点，学者专家们从不同角度对钛合金做了研究。1.2.1 金属切削实验研究方法现状实验研究方法，就是在金属切削过程中人为地限制或创造某些条件，在试验台或机床上进行切削试验，通
20、过合适或必要的仪器设备对切削过程和结果进行观测和记录，再对实验结果进行分析和总结，来探索金属切削规律的研究方法 4。实验研究方法一直以来都是最接近生产实际、最可靠，也是最重要的研究方法。1、对切削力实验研究一般对切削力的实验研究都是借助于测力仪进行的。切削测力仪有电感和电容式、压电式、应变式和电流式。电感和电容式测力仪因结构复杂不适合测量多向切削分力，一般用于测量瞬时切削力，但目前已不常使用。应变式测力仪具有性能稳定、适应性广、灵活性大、灵敏度高等优点，它是根据弹性元件上电阻应变片的变形引起电阻值的变化来反映切削力大小的，但其动态特性和测量精度取决于弹性元件的结构。提高应变式测力仪动态特性和测
21、量精度的关键是如何解决刚度和灵敏度之间的矛盾。卞化梅等在 2008 年采用 YD-8 型动态电阻应变仪，研究了进给量和主轴转速对切削力的影响，后来证明了每齿进给量对切削力的影响比主轴转速大。2002 年李亮等采用三向动态压电测力仪，研究了铣削加工中切削深度对切削力的影响，研究结果表明每齿进给量对切削力的影响很小，切削深度对切削力的影响很大 5。2、对切削热和切削温度的研究在切削温度和切削热的研究中，最常采用的方法是热电偶法，其中包含人工热电偶、半人工热电偶和自然热电偶。热电偶测温的基本原理是将两种不同材料的导体或半导体焊接起来构成一个闭合回路，当两导体间存在温度差时就会在回路中产生一定大小的电
22、流，通过这种热电效应来反映切削温度的变化。2004 年阎海鹏采用铝合金 LFS康铜热电偶测定了高速本科生毕业论文3铣削铝合金时铣削区的温度，研究了切削温度随进给量、切削速度、切削深度的变化规律 6。2005 年舒畅通过实验标定出钛合金 TA15康铜非标准热偶的热电特性，并依此测定研究了不同切削条件下钛合金 TA15 的切削温度。这都属于自然热电偶法，因为他们都是利用刀具和工件间自然产生热电势的原理。3、对刀具磨损和工件表面粗糙度的研究刀具磨损的研究方法主要有直接测量和间接测量法。直接测量法主要有：接触电阻法、光学法、放射法等。其中光学法就是通过扫描电镜、工具显微镜等观察仪器直接对刀具的前、后刀
23、面的磨损情况进行观察和研究。间接测量法主要有：刀具和工件测量法、切削力或者切削功率测量法、振动分析法、温度测量法等。为了准确直观起见，一般在实验研究时都采用直接测量法，而间接测量法一般用在自动生产线上，这样可以保证加工的连续性，实现在线实时控制。2005 年舒畅在研究高速铣削钛合金的切削温度与刀具磨损的关系时，采用了一种数码摄影和体视显微镜结合，通过软件对标准照片和切削刃磨损形貌照片进行对应像素点比较的方法 7。2008 年阎光明等在对 0Cr15Ni7M02AI 不锈钢的铣削加工中刀具磨损情况和刀具耐用度进行研究时，采用了小型工具显微镜观测了刀具的磨损形态，他们采用的都是直接测量法。1.2.
24、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，以前的专家都作过深入的研究，现在众多的学者仍在进行着研究。 早期的学者们，像Lee and shaffer，Piispanen，Merchant等人，建立了比较简单的切削模型，这是由于当时的理论和设备所限制的，由此会忽略一些重要因素。1950以后，w.B.Palmer、E.D.Doyle、K.J.Trigger等人开始将切削过程中的切削温度、加工硬化、摩擦、高应变率等更多的影响因素考虑进切削模型中 8，这样实验测量值和仿真计算的结果将更为接近。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比三维
25、斜交切削模型来说建模较简单，常用来研究车削加工过程。如1980年，为了研究切屑的切削力和几何形状，Lajczok建立了一个简化的正交切削模型 9；1982年，usui和Maekawa为预测工件中应变、应力和温度的分布建立了一个稳态的正交切削模型；1984年，Iwata等人建立了一个低应变率、低切削速度下的稳态正交切削模型 10。然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。这样一来三维有限元模型更接近切削加工的物理过程，更具有实际意义。专家们也在应用三维有限元模型模拟的研究方面做了大量的工作。像1973年美国Illinois大学的B.E.Klameek最早
26、研究了金属切削加工中切屑形成的原理 11，并用三维有限元模型分析了切屑形成的初始阶段。Sasahara等人1995年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，探明了切屑时工件中应变和应力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耦合有限元模型对钛合金Ti6Al4V的高速切削加工过程进行了模拟，研究了不同切削深度和不同切削速度下的已加工表面残余应力分布。从以上研究可以看出，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。本科生毕业论文41.2.3 钛合金切削加工研究现状钛合金材料具有优异的耐腐蚀性能和突出的力学性能，因而
27、在化工、航空航天、医疗等领域均有广泛的应用，但其也存在着切削加工困难、工艺性差的特点。因此，关于钛合金的切削加工一直都是研究难点和研究热点，专家们从不同方面对钛合金的切削加工作了研究。2003 年，获浩等研究了有氮气介质和干切削情况下影响 TC4 材料铣削力大小的几个因素，以及两种介质条件下不同切削速度对后刀面磨损的影响，证实了以氮气为介质可大大改善刀具的磨损状况，提高刀具寿命 12。2005 年，李德华、何秀梅等分别对钛合金的加工工艺方法和切削刀具材料的选用进行了研究。2007 年，沈中等研究了平均切削厚度下钛合金 TC4 的铣削机理 13，指出要提高刀具耐用度和改善加工表面质量要在保持合适
28、的平均切削厚度不变的前提下选择其它切削参数。2007 年，吴红兵等利用三维有限元模型，对 TC4 材料高速加工过程中不同切削深度和切削速度下的加工表面残余应力分布作了分析。2008 年，许鸿昊等从装夹方式的角度研究了拉伸装夹方式对钛合金 TC4 加工表面质量的影响。研究表明拉伸装夹能提高已加工表面残余压应力和增大残余应力层厚度，但不影响加工表面粗糙度。2008 年，杜随更等对不同铣削参数下钛合金 TC4 表层组织和试样表面形貌进行了研究，发现轴向切深对钛合金高速铣削工件表层影响不大，而提高主轴转速也可以提高铣削表面质量，而且也发现组织的影响边缘处表面质量比中心处表面质量和铣刀端刃切削的工件表面质量都要差 14。1.3 本文主要研究内容及拟解决的关键问题本文主要的研究目标是基于 Deform-3D 有限元软件平台，建立 Ti6Al4V 切削过程有限元仿真模型，通过有限元仿真，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。在对钛合金Ti6Al4V 切削时的切削力、切削温度等进行研究的同时获得钛合金 Ti6Al4V 切削时的应变、应变率、应力及切削温度的分布云图。
