钛合金切削力数值模拟分析

I本 科 毕 业 设 计 （ 论 文 ）题目：钛合金切削力数值模拟分析学 院 机械与汽车工程学院 专 业 机械工程及自动化 学生姓名 李嘉坤 学生学号 201130011052 指导教师 邓文君 副教授 提交日期 2015 年 5 月 20 日II摘要自 20 世纪中叶以来，钛及其合金得到越来越多的关注。钛及其合金具有熔点高、密度小、强度大、耐腐蚀、生物相容性好、超导、形状记忆和储氢等一系列重要特性。凭借出色的综合性能，钛合金在航空、化工、汽车及建筑等方面被广泛地使用。在未来的几十年里，它仍然是金属家族里最重要的成员之一。虽然钛合金有着众多优良的性能，但是切削加工的困难严重地阻碍它进一步的应用。切削力是影响金属切削加工过程的重要参数之一。研究钛合金在切削过程中的受力情况，探讨切削用量、刀具几何参数等因素对钛合金切削力数值的影响，有助于更深入地了解钛合金的切削性能，并优化其切削加工工艺及流程，为生产者带来经济效益。本研究使用有限元平台 DEFORM-2D 模拟钛合金的加工，生成切削力的分布图。详细讨论切削速度、进给量和刀具前后角对切削力的影响。使用 DEFROM-2D 软件建立正交切削模型，模拟硬质合金刀具切削钛合金 Ti-6Al-4V 的过程，采用控制变量法进行分析，得到钛合金切削力变化的基本规律。模拟实验结果表明：一般情况下，钛合金切削过程中切削力最大的区域是第一变形区，这时刀具要克服弹性变形抗力和塑性变形抗力。切削用量对切削力的影响较大，在中高速范围，提高切削速度，切削力有下降的趋势。进给量增加，金属切削层的变形增加，造成切削力变大。切削力受到刀具几何参数带来的变化很小，前角增大，切削刃更加尖锐，切削变形减小，切削力减小。后角对切削力造成的变化极小，通常可以忽略不计。关键词：钛合金；切削；有限元仿真；切削力；DEFORMIIIAbstractFrom the middle of twentieth century, Titanium metal and its alloy have got more and more concern, due to their excellent performance: high melting point, high strength-to-weight ratio, good corrosion resistance, biocompatible, superconductive, shape-memory and good hydrogen-storage capacity. Relying on their outstanding integrated performance, titanium alloys have been widely used in the aerospace, chemical industry, automobile, architecture and many other fields. In the next few decades, titanium alloys will be one of the most members of alloys family.In spite of their numerous fine properties, its very difficult to machine titanium alloys, hindering their futher application. Cutting force is an important parameter in metal machining process. Analyzing the force situation in titanium alloys cutting process, researching the effect of cutting parameters and tool geometry on cutting force can help to get further knowledge of titanium alloys machinability, optimize the machining process and bring economic benefit to manufacturers.In this study, FEM software DEFORM-2D is used to simulate the cutting process of titanium alloys, as well as draw the distribution diagrams of cutting force. We are going to discuss the influence of cutting speed, feed, tool rake angle and clearance angle to cutting force. Using DEFROM-2D software to build an orthogonal cutting model and simulate cutting process of Ti-6Al-4V titanium alloy with carbide-tipped-tools, adopting controlling variable method for analysis to obtain the fundamental law of titanium alloys cutting force. Simulation results indicate that:Generally speaking, the biggest deformation region is located in the first deformation region, because the cutting tool has to overcome the elastic deformation resistance and plastic deformation resistance. Cutting parameters have a large effect on cutting force. At medium and high speed, cutting force decreases as the cutting speed raises. Increasing the feed can expand the deformation of cutting layer, which adds the size of cutting force. Tool geometry have less effect on cutting force. For example, enlarging rake angle can sharpen the cutting edge, causing the reduction of cutting force. Since clearance angle has much smaller influence on cutting force, its usually negligible.Keyword: Titanium Alloy, Cutting, FEM simulation, Cutting force, DEFROM目录摘 要 .IABSTRACT .II第一章 绪 论 .11.1 引言 .11.2 课题研究 背景 .21.2.1 钛合金切 削研究现状.21.2.2 有限元仿 真模拟在金 属切削 中的应用现状.21.3 本课题 研究 意义 .31.4 本课题 主要 工作 .4第二章 理论基 础 .52.1 钛的性能 .52.1.1 钛的十大 特性和 三种特殊功能.52.1.2 钛的力学性 能.72.1.3 钛的切削加工特点.72.2 钛的应用 .82.2.1 钛合金在航空航天领域中的应用.82.2.2 钛合金在非航空航天领域中的应用.82.3 切削力理论 .92.3.1 切削力的来源.92.3.2 切削力的变化规律.102.4 有限元分析方法 .112.5 DEFORM 软件简介.122.6 本章小结 .12第三章 钛合金正交切削模型的建立 .133.1 定义切削参数 .133.2 建立刀具模型 .143.2.1 定义刀具几何参数.143.2.2 划分刀 具网格 .153.2.3 定义刀具 材料.163.3 建立工件模型.163.3.1 定义工件几何形状.163.3.2 划分工件网格.173.3.3 定义工件材料.173.4 定义正交切削模型 .173.5 本章小结.18第四章 钛合金切削力 数值模拟分析 .194.1 钛合金切削 力变 化规律.194.2 切削用量对切削过 程的影响.214.2.1 切削速度.214.2.2 进给 量.234.3 刀具几何参数对切削过程的影响.264.3.1 前角.264.3.2 后角.274.4 本章小结.28结 论 .29参考 文献 .30致 谢 .301第一章 绪论1.1 引言钛合金的密度低、延展性好、耐腐蚀性优良，是优秀的高熔点材料和重要的生物医用材料，在航空、航天、舰船、核能、化工、冶金、医疗、体育、环保及人们日常生活中广泛应用，市场前景随着社会进步而日渐广阔。钛属稀有金属范畴，但钛资源丰富，能有效地满足社会发展的需要。然而，金属钛的熔点高，高温活性强、易吸气、氧化；钛合金化学成分的一致性与组织结构的一致性对材料的力学性能影响巨大，钛合金的形变抗力大、加工温区窄，因此钛合金的加工技术条件复杂而严格，其加工成本高。钛的导热率小、化学性能活泼，切削加工性很一般。钛的物理和化学特性决定了其成形过程具有切削速度低、刀具寿命短等缺点。因而，提高加工速度对提高钛合金的应用有重要意义。从上个世纪中期至今的几十年岁月里，钛合金成为了人们关注的焦点，科学家和学者早已对钛合金的结构和性能进行了深入的分析。凭借先进的研究手段和创造性的思维方式，美国和日本等国家对钛合金的把握处于世界领先水平。我国在这方面的起步相对晚，但是在多名学者的无私奉献努力下，钛合金的研究取得了突破性的进展。在商品经济时代，产品的设计时间决定了一个企业的创新能力，而创新力是企业赖以生存的重要手段。在各种因素的驱动下，有限元模拟技术应运而生。由于计算机技术与结构力学分析的发展，有限元法在工程设计以及科研领域应用的比重日益扩大。计算机有限元仿真技术有突出的优点，使用者可以在进行真正的实验前，在计算机上得到预期的实验结果。这个过程需要定义各种切削参数，对切削温度、刀具及工件受切削力、刀具的磨损等情况进行分析。计算机仿真加工技术，已经成为了解决复杂工程问题的有效途径，其在航空航天、机械制造、土木建筑、船舶、石化、能源和科研等多个领域扮演着不可或缺的角色。特别是对于钛合金这类加工困难材料来说，加工材料、刀具、加工设备都极为昂贵，加工条件十分严格，通过计算机仿真技术对切削行为进行模拟，可以最大限度地降低成本。根据模拟得出的切削力、应变、温度场等数值曲线，对切削过程中各种参数进行跟踪和分析，是一种有效而实用的方法，得到广大用户的肯定。目前，国外的大型通用有限元商业软件主要有 ANSYS、ABAQUS 、Femap+ NX Nastran、LMS-Samtech 等，国内有限元软件则包括 FEPG、SciFEA、JiFEX 、KMAS 等。考虑到本课题的研究内容为钛合金的切削力分析，二维的有限元仿真分析已能满足实验需要，决定采用 Deform-2D 软件，探讨钛合金在单一切削要素改变的情况下，加工过程中刀具以及工件的切削力变化情况，并分析该变化对切削生产的影响。最后，研究如何选取合适的切削参数，改善钛合金的加工过程。21.2 课题研究背景1.2.1 钛合金切削研究现状作为 21 世纪发展情景无可估量的高性能材料，钛合金一直备受科研工作人员的关注，前人对钛合金切削过程中的切屑形成、刀具磨损及切削力做了充分的工作，为后人进一步的研究打下了坚实的基础。Komanduri 1是系统研究正交切削钛合金产生的切屑变形情况的先驱者，他提出了锯齿状切屑的突变剪切失稳理论。在高速切削方面，Gente 与Hoffmeister2进行了速度高达 6000m/min 的超高速切削试验，目的是研究正交切削条件下的切屑形成机理和切削比能；Kitagawa 3等则利用 K10 硬质合金刀具进行了铣削和车削对比试验，实验结果表明：其铣削时切削速度可达到 628m/min，而车削时不超过200m/min。Jawaid 4等对钛合金 Ti-6246 进行了刀具磨损试验，试验结果发现车削时，WC硬质合金刀具后刀面磨损主要发生扩散磨损，同时发现细晶粒刀具和研磨后的刀具耐磨性能较好。Nouari 和 Iordanoff5用离散元法分析了钛合金切削的刀具磨损，研究发现此法可以有效帮助控制刀屑接触。国内对钛合金切削的研究水平与发达国家相比，仍存在较大的差距，但也取得了一定的成绩。20 世纪 50 年代初，北京有色金属研究总院开始着手成立海绵钛研究组，以便研究其制备方法。1956 年，北京有色金属研究总院成立课题组，开始钛及其合金加工工艺研究。南京航空航天大学的何宁 6研究小组利用数值模拟技术及构建的切削力数学模型，分析了在模拟切削过程中钛合金薄壁件的变形及振动情况，并利用有限元技术研究在铣削过程中刀具的运动轨迹及刀具补偿对铣削变形的影响。1.2.2 有限元仿真模拟技术在金属切削中的应用现状在解决机械加工的问题时，常用的方法有解析法、实验法及有限元法。通过解析法，切削过程中应力应变、温度变化关系以数学表达式的形式表现出来。然而，切削过程涉及的变量过多，表达式往往过于复杂，难以达到解决问题的目的。相对于其他方法，实验法直观明了，但也存在实验条件难以控制、实验成本高、花费时间长等问题。对于涉及多个变量的研究，各个变量的关系相当复杂，实验法暴露的弊端更加明显。近年来，随着计算机技术及结构力学分析的发展，有限元仿真模拟（FEM）技术在金属加工的应用不断扩大，并成为了解决塑性流动问题的有效工具之一。有限元仿真模拟技术具有广泛的应用性。在这个平台上，使用者可以获得详细明确的解决方案，优化工艺参数，这是物理实验试模拟不可与之相提并论的地方。通过有限元法模拟金属切削加工，生能有效地预测工件内部的受力情况。使用有限元数值模拟技术能大大的降低研发费用，并在产品制造前发现潜在问题，减小由于设计不当带来的风险。FEM 必将在科研领域发挥越来越重要的作用。为了研究钛合金的切削性能，国外学者使用有限元数值模拟技术进行了一系列的研究，得到了许多在试验中无法测量的数据，这对钛合金的切削加工过程具有一定的指导作用。3Klamecki.B.E7开创了切削力仿真研究的先河，第一次通过有限元仿真技术模拟切削过程，为后人的研究提供了借鉴。1982 年，Shirakash 8等学者在分析了稳态正交切削有限元模型后，创造性地提出了切屑的几何形状、刀面角以及流动应力等概念，这些参数成为了衡量数值模拟结构的重要标准。1984 年，Iwata 9等人假定工件材料为刚塑性体，利用刚塑性有限元法模拟了在低速切削、低应变率情况下的正交切削过程。1990 年，Strenkowski 和Moon 等人 10用欧拉有限元法得到了金属正交切削模型，模拟了切削的形成，并得到了刀具、工件和切屑的温度场分布。在国内，有限元仿真模拟技术起步相对较晚。经过众多国内学者的一番积极研究，有限元法的发展取得了巨大的进步。上海交通大学的陈明 11课题组在通用有限元环境下建立了铣削航空铝合金的模型，研究了工件与刀具接触区域、工件内部的温度场分布。浙江大学机械与能源工程学院的柯映林 12研究小组建立了金属直角切削数值模拟的热位移耦合数值分析模型。此外，他们对金属的切削机理进行了细致的研究，并提出了几何应力切屑分离标准。湖北汽车工业学院的阮景奎 13等人探索了合金铸铁高速铣削时的锯齿状切屑的成因，并且进行了数值模拟研究。他们指出，这种锯齿状切屑的形成是由绝热剪切和塑性断裂两者共同造成的。山东大学的唐志涛 14等人探讨了模拟切削过程中材料模型、分离准则、刀具和工件的接触摩擦力模型及切削热模型的建立，他