（机械制造及其自动化专业论文）钛合金高速切削加工机理的仿真研究.pdf

沈阳理工大学硕士学位论文 摘要 钛合金以其无可替代的优良特性得到了越来越广泛的应用，其生产和制造的 需求越来越多。由于钛合金是典型的难加工材料，它的高效加工是当前亟待解决 的问题，对钛合金高速切削加工机理进行仿真分析具有极其重要的意义。 本文基于金属切削加工理论和有限元分析法，通过有限元软件建立了钛合金 高速切削加工仿真模型，确定了切削仿真所需要的摩擦模型、切屑分离准则、断 裂准则等关键技术。首先通过三维仿真模型，在正交试验法方案的基础上对t c 4 高速切削加工中的切削力进行了仿真分析，得到了可靠的经验公式，并分析了切 削参数对切削力的影响情况；其次通过正交切削方案对t c 4 的切屑的形成过程进 行了仿真，分析了锯齿状切屑的形成机理，并总结了刀具前角和切削参数对切屑 形状的影响规律；最后通过对有效工艺路线的模拟，研究了t c 4 高速切削加工中 已加工表面残余应力的分布情况，总结了切削速度和刀具结构对工件表面残余应 力分布的影响。 仿真结果表明，所得到的切削力、残余应力符合高速切削加工理论，切屑形 状与实际加工相似，说明所建有限元切削仿真模型有效，可以用来研究钛合金在 高速切削加工中的切削状况，仿真中所得到的结论信息为接下来的研究及实际加 工提供重要参考。 关键词：钛合金；高速切削；切削力；切屑形成；残余应力 沈阳理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t 1 1 et i t 砌啪a l l o yh a d b e e nm o r ew i d e l yu s e d b e c a u s eo fi t si n 印1 a c e a b l es u p 耐o r c h a r a c t c l - i s t i c s ，a i l d 也ed e m a i l d sf o ri t sp r o d u c t i o na 1 1 dm a n u f a c 嘶n g w e r em o r ea i l d m o r e a st i t a l l i 啪a l l o yi sat y p i c a ld i m c u l tt om a c h i n em a t e r i a l s ，i ti st h ec u r r c n t p r o b l c i i l ：；t ob es 0 1 v e dt h a th i 曲e 伍c i e n tp r o c e s s i n go f t i t a i l i u ma l l o y s om es i i n u l a t i o n r e s e a r c ho nm em a c h i n i n gm e c h a m s md u r i n gh i 曲s p e e dc u t t i n go ft i t a n i u ma l l o y sw a s e x t r e m e l yi m p o r t a r l t b a s e do nt h em c t a lc u t t i n gt h e o r ya n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，i nt h i sp a p e r ，t h e s i m u l a t i ( ) nm o d e lo fh i g h - s p e e dc u t t i n go ft i t 肌i 啪a l l o yw a sb u i l tb yf i n i t ee 1 锄e n t s o r w a r e ，t h ek e yt e c h n 0 1 0 西e ss u c ha sm e 衔c t i o nm o d e l ，c h i ps 印a r a t i o nc d t e r i aa i l d 仔a c t u r ec r i t e r i aw h i c hw e r en e e d e di nc u t t i n gs i m u l a t i o nw e r cd e t e m l i n e d f i r s t l y ，t h e c u t t i n gf o r c ed u r i n gm eh i 曲- s p e e dc u t t i n g o ft c 4w a sa 1 1 a l y s e db a s e do nt h e o m l o g o n a le x p e r i m e n t a lm e t h o dt h r o u 曲t h et 1 1 r e e - d i m e n s i o n a ls i m u l a t i o nm o d e l ，t h e r e l i a b l ei 。m p i d c a lf o n i l u lw a so b t a i n e d ，a n dt h ee f - f e c t so fc u t t i n gp a r a m e t e r so nc u t t i n g f o r c ew a 1 1 a l y z e d s e c o n d l mm ec h i pf o m a t i o np r o c e s so ft c 4w a ss i m l a t e db yt h e o n h o g o n a lc u t t i n gp r o 黟锄；t h ef o n n a t i o nm e c h a n j s mo fs c r r a t e dc h i pw a sa 1 1 a l y z e d a n dt h ei n f l u e n c eo fm et o o lr 酞ea 1 1 西ea n dc u t t i n gp a r a m e t e r so nc h i ps h 印ew a s s u m m 撕l z e d f i n a l l y ，t h ed i s t r i b u t i o no fr e s i d u a ls t r e s so nm a c h i n e ds u r f a c ed u r i n gt h e h i g l l s p e e dc u t t i n go ft c 4w a ss t u d i e db ys i n m l a t i n gt l l ee a e c t i v ep r o c e s sr o u t e ，m e i n f l u e n c eo fm ec u t t i n gs p e e da i l dt o o l s t m c t u i eo nt h es u r f a c er e s i d u a ls t r e s s d i s t r i b u t i o nw a ss 蝴e du p t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dm a tt h er e s u l t i n gc u t t i n gf o r c e sa 1 1 dr e s i d u a ls t r e s s e s w e r ea c c o r dw i t hh i 曲一s p e e dc u t t i n gt h e o r y t h ec h i ps h 印ew a ss i m i l a rt ot h ea c t l l a l p r o c e s s i n g ，i tw a si n d i c a t e dt h a tt h em o d e l o ff i l l i t ee l e m e n ts i m u l a t i o ni nm i sp a p e rw a s e f 诧c t i v ew h i c hc o u l db eu s e dt os t u d yt h ec u t t i n gs t a t u sd u r i n gh i g h - s p e e dc u t t i n go f t i t a n i u ma l l o y s ，t h es i m u l a t i o nc o n c l u s i o nw o u l dp r o v i d ei m p o r t a n tr e f e r e n c ei nt h en e x t 沈阳理工大学硕士学位论：史 一一 r e s e a r c ha 1 1 dt l l ea c t u a lp r o c e s s i n g k e yw o r d s ：t i t a n i u ma l l o y s ；h i 曲s p e e dc u t t i n g ；c u t t i n gf o r c e ；c h i pf 0 锄a t i o n ； r e s i d u a ls 仃e s s 一 塑! 童笙笙一 一- l - 一 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 钛合金是作为2 1 世纪最重要的战略金属之一，受到越来越高的重视。随着各 国研发：打度的加大，钛合金的应用也越来越广泛，其应用领域已经拓展到军事、 生物医学、汽车、体育用品等众多领域，其应用程度成为衡量一个国家工业装备 的先进程度，反映一个国家的军事水平和军事实力，体现一个国家制造业技术实 力的重要指标i l 。j 。 目前，随着应用需求的不断扩大，钛合金的生产制造面临了更大的压力，虽 然钛合金在各领域能够体现出优良的性能，而且能起到其他任何金属无法替代的 作用，但钛合金在生产制造中所需要付出的高成本仍然困扰着该行业的制造商。 由于钛合金切削时具有切削温度高、摩擦力大、刀具磨损严重等许多不利的切削 特性，使得钛合金加工相当困难，加工钛合金的速度比加工钢的速度约低5 0 左右 4 】，它的制造成本也就高得多。因此，能否提高钛合金的加工效率，降低生产制造 钛合金零件的成本，在一定程度上决定了钛合金能否在航空航天等各领域中得到 广泛的应用。 高速切削加工被公认为制造业中最为重要的一项先进制造技术，它具有高效、 优质、低耗等满足时代要求的优点。在常规切削加工中备受困扰的一系列问题， 通过应用高速切削加工得到了解决。与传统切削加工相比，高速切削加工发生了 本质性的飞跃，其单位功率的金属切除率可以提高3 0 鼽4 0 ，它的切削力反而降 低了3 0 左右，刀具寿命甚至可以提高7 0 ，由于快速切掉的切屑带走大量的热 量，留存于工件的切削热大幅度降低，有效的实现高效率切除材料 5 ，6 1 。由于种种 切削优势，高速切削加工技术受到了整个制造业的青睐。 由于钛合金是典型的难加工材料，目前，它的切削加工速度普遍较低。一些 发达国家的制造企业已开始使用数控超高速精密铣削技术加工飞机钛合金零件， 切削速度可以达到2 0 0 4 0 0 州m i n 。国内的很多大型企业虽然配备了比较先进的数 沈阳理工大学硕士学位论文 _ - 一一 控设备，但加工效率仍然遥遥落后于发达国家，国内较先进的企业切削钛合金的 切削速度基本保持在4 0 8 0 删m i n ，而一般的企业仍然维持在2 0 m m i n 左右【7 1 8 】。 由此，提高钛合金的切削效率成了整个制造业共同的目标，高速切削加工技术在 钛合金加工领域的应用顺理成章的成为学者的理想措施。 切削加工过程中切削力、切削温度、切屑形成以及残余应力分布情况等切削 机理之间相互影响，他们的综合效果对刀具寿命、被加工工件表面质量等起到决 定性作用。所以在高速切削范围内，对钛合金的切削加工进行理论仿真，利用有 限元软件，通过合理有效的有限元法对切削机理进行系统的研究，可以为实际加 工中计算切削功率、设计与使用机床、刀具和夹具提供重要的依据，为优化切削 参数、刀具结构、加工工艺，以延长刀具的加工寿命，提高工件的加工质量，有 效提高钛合金加工效率，降低加工成本提供理论指导意义。 1 2 国内外研究现状 早在2 0 世纪五六十年代，西方发达国家如英国、美国等就开始了钛合金加工 的研究，进行了大量的关于钛合金切削力、切削温度、切屑形成以及刀具寿命等 研究。k 0 m a n d u r i 最早利用正交切削研究钛合金的切屑形成机理，同时提出了锯齿 状切屑的突变剪切失稳理论。1 9 5 1 年，l o c k h e e d 公司就进行了钛合金铣削试验。 j a w a i d 等进行了钛合金t i 6 2 4 6 的刀具磨损试验，实验结果表明研磨的刀具和细晶 粒刀具表现出较好的耐磨性。h o n g 和m a 订( u s 等对液氮浇注方法进行了试验研究， 在断屑台和刀具表面之间安装微型喷嘴，使液氮直接喷在了刀尖部位，既有效地 延长了刀具耐用度，又避免了浪费。i o r d a n o f f 和n o u ；狐用离散元法对钛合金切削 的刀具磨损进行了分析，研究表明离散元法对控制刀屑接触有很好的帮助。由于 世界主要发达国家都有自己的切削数据库，所以对钛合金的切削加工的研究都比 较系统。 我国对钛合金的研究起始于1 9 5 4 年北京有色金属研究总院。5 0 多年来，我国 很多科研单位投入到钛合金的切削加工机理的研究中来，并不断取得了一些重要 成果。耿国盛通过正交试验研究了铣削力和铣刀磨损的测量，系统的分析了p 2 1 s 钛合金的铣削加工性，并通过实验数据对钛合金铣削加工参数进行了优化。山东 大学的石磊分别从物理、化学和力学性能3 个方面对钛合金与刀具材料性能匹配 进行了研究，并通过t i 6 a 1 4 v 铣削试验加以验证，建立了钛合金切削刀具选择系 ，) 一 一 蔓! 垦堡丝一 一 - _ _ - - 一- _ - - _ - - - _ - _ _ _ - _ - _ - _ - - _ _ _ - - - _ _ - _ _ _ 一一 统模型。满忠雷、何宁等从绿色切削的理念出发，用硬质合金刀具进行了钛合金 高速铣削的单因素试验，得出了铣削参数对铣削力的影响规律；并比较分析了氮 气油雾、空气油雾介质、干铣削下铣削力的变化特点。 齐德新对铣削钛合金b t 2 0 时的切削力、切屑形态、刀具磨损和破损形态及机 理进行了研究，对刀具几何参数、刀具材料、切削参数进行了优化，在此基础上 研制出适用该材料的新型端面铣削刀具。 杨蕾根据试验测量铣削力曲线上一些特征点，用回归方法求解铣削力系数， 建立了钦合金t c n 铣削力模型。冯志勇应用p o w e n 方法求解铣削力系数，建立了 非线性铣削力模型。李忠群建立r 刀铣削力模型，通过改变r 值大小，可以适用 于球头铣刀铣削。山东大学徐志平、孙杰掣9 1 建立了基于钛合金t i 6 a l 4 v 的二维 正交切削有限元仿真模型，并在其基础上对切削过程进行了分析。山东大学陈建 岭、李剑锋1 0 1 等建立了钛合金铣削加工中考虑刃口犁耕效应的三维铣削力学模型， 建立了适合高速铣削范围的铣削力系数经验预测模型。杨勇等j 提出了主、副切 削刃同时进行切削的螺旋齿双刃切削有限元模型，在一定切削速度条件下对钛合 金t i 6 a 1 4 v 进行了铣削加工切削力的三维数值模拟研究，总结了一个周期内切削 力的变化规律。陈建岭、李剑锋以温度测量试验为参照，利用有限元方法，建立 三维铣削仿真模型，对工件变形区和刀具的温度场进行了分析。陈建岭、李剑锋 利用铣削试验和x 射线衍射应力测量方法，研究了铣削参数对己加工表面残余应 力的影响。每齿进给对残余应力大小影响最为显著，而径向铣削深度影响最小。 总体来讲，国内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，各研究单位对钛合金切削加工研究主要集中普通切削加工的理论和实验领 域，近两年山东大学、江苏大学等逐渐尝试有限元法对钛合金加工进行仿真分析， 并且取得了一定的成果，但仿真分析主要基于二维模型，或者在普通切削加工中 的切削仿真，较少对高速切削钛合金加工进行系统的三维仿真，从而对其高速加 工中切削参数对切削的形成、切削力、温度场、表面残余应力等进行全面的分析， 所以对钛合金高速铣削加工进行三维有限元仿真研究是当前必要的课题，它对切 削加工过程中很好地解决加工质量、效率、刀具磨损等问题起到极其重要的作用。 沈阳理工大学硕士学位论：史 1 3 钛合金的性能及其切削特点 1 3 1 钛合金的分类及其物理特性 钛是银白色金属，密度约为4 5 c m 3 ，钛的质量轻、强度高、耐热性好，同时 它的化学活性高，易与空气中的氮、氧、氢化合。钛是同素异构体，熔点为1 6 6 8 ， 在低于8 8 2 时呈密排六方晶格结构，称为q 钛：在8 8 2 以上呈体心立方晶格结 构，称为p 钛。利用钛的上述两种结构的不同特点，添加适当的合金元素，使其 相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金( t i t a n i u ma l l o v s ) 。室温下， 钛合金有三种基体组织，钛合金也就分为以下三类：a 合金，( 0 c 邯) 合金和d 合金。 中国分别以t a 、t c 、t b 表示【1 2 ，1 3 1 。 0 【钛合金是a 相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还是在较高的实 际应用温度下，均是0 【相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在 5 0 0 6 0 0 的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室 温强度不高。 p 钛合金是6 相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，淬火、 时效后合金得到进一步强化，室温强度可达1 3 7 2 1 6 6 6 m p a ；但热稳定性较差，不 宣在高温下使用。 仪邯钛合金是双相合金，具有良好的综合性能，纽织稳定性好，有良好的韧性、 塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。 热处理后的强度约比退火状态提高5 0 1 0 0 ；高温强度高，可在4 0 0 一5 0 0 的温度下长期工作，其热稳定性次于0 【钛合金。 三种钛合金中最常用的是0 c 钛合金和c c 邯钛合金；0 【钛合金的切削加工性最好， 伐+ p 钛合金次之，p 钛合金最差。值钛合金代号为t a ，p 钛合金代号为t b ，a 邯 钛合金代号为t c 。 钛合金按用途可分为耐热合金、高强合金、耐蚀合金( 钛一钼，钛一钯合金等) 、 低温合金以及特殊功能合金( 钛一铁贮氢材料和钛一镍记忆合金) 等。 通过调整热处理加工工艺能获得钛合金不同的相组成和组织。一般认为细小 等轴组织具有较好的塑性、热稳定性和疲劳强度；针状组织具有较高的持久强度、 蠕变强度和断裂韧性；等轴和针状混合组织具有较好的综合性能。 一箜! 童堕堡 钛及钛合金具有耐腐蚀、比强度高等突出优点而被称作“太空金属”或“海 洋金属”，目前的金属工业产量上，铁达到7 亿吨，铝约1 万吨，铜和不锈钢各为 1 0 0 0 万吨，钛产量却不足1 万吨，所以说钛是一种尚未成熟的年轻金属，它很有 希望成为继铁、铝之后的第三种实用金属，开发利用前景十分广阔。我国钛资源 非常丰富，t i 0 2 总储量达9 亿吨，储量世界第一，中国必将成为钛金属的世界生 产大国。钛合金具有许多优良特性，主要表现在【2 ，1 4 1 ： ( 1 ) 热强度高 钛合金热稳定性好、高温强度高。在3 0 0 5 0 0 的温度下，其强度约比铝合 金高1 0 倍，这也是目前飞机上大量使用钛合金代替铝合金的重要原因之一。 ( 2 ) 比强度高 钛合金的密度一般在4 5 c m 3 左右，仅为钢的6 0 。钛合金的强度近于普通 钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强 度( 强度密度) 远大于其他金属结构材料，因此可制出单位强度高、刚性好、质 量轻的：零部件。 ( 3 ) 抗腐蚀性好 钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、 酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强：对碱、氯化物、氯的有机物品、硝酸、硫酸等 有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。 ( 4 ) 低温性能好 钛合金在低温和超低温下，仍能很好地保持其力学性能，有些钛合金在低温 下强度更高。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。 ( 5 ) 化学活性大 钛合金高温化学活性大，易与大气中0 2 、n 2 、h 2 和水蒸气等产生强烈的化学 反应，生成氧化钛、氮化钛等物质，在其表面形成一层致密的氧化膜。钛合金开 始强烈吸收氢、氧和氮的温度分别为3 0 0 、5 0 0 和6 0 0 。钛的化学亲和性也 很大，易与摩擦表面产生粘附现象。 钛合金表现出的以上物理特性，使钛合金被广泛地使用于军事、医疗、体育 等领域，具有巨大的前景。 堕堡三盔堂堡主堂焦笙奎 一一一 1 3 2 钛合金的切削特点 研究表明，当钛合金的硬度小于h b 3 0 0 时则容易出现粘刀现象，难于切削， 硬度大于h b 3 5 0 时切削加工特别困难。但硬度只是钛合金难于切削的一个因素， 更多因素体现在钛合金本身化学、物理、力学性能间的综合对其切削加工性的影 响。钛合金有如下切削特点【1 5 ，1 9 】： ( 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：由于钛合金切削加工时，切屑与前刀面接触长度很短，而 且钛合金的导热系数小( 只相当于4 5 号钢的1 5 1 7 ) ，切削时所产生的热量不容 易传导出去，集中在刀具与切削区接触的小范围内，从而使该区域得到较高的温 度。在相同的切削条件下，切削温度可比切削4 5 号钢时高出一倍以上。 ( 3 ) 冷硬现象严重：由于钛的化学活性很大，当切削温度很高时，容易与空 气中的氧气和氮气产生化学反应，从而形成硬而脆的氧化成膜；切削过程中产生 的塑性变形也容易产生表面硬化现象。这种冷硬现象的综合作用会降低被加工零 件的疲劳强度，同时会增加刀具的磨损，是钛合金切削加工中很重要特点。 ( 4 ) 单位面积上的切削力大：由于切屑与前刀面的接触长短，是切削区与刀 具接触部分压强很大，很容易造成崩刃。而且由于钛合金具有较小的弹性模量， 在加工过程中径向作用力下容易产生弯曲变形，也可能产生振动，从而影响零件 的精度并加大刀具磨损。因此，要求工艺系统应具有较好的刚性。 ( 5 ) 刀具易磨损：钛合金经过一些热处理工艺后，收到表面硬化等作用，形成 脆而硬的不均匀表皮，极易使刀具崩刃，使得切除硬皮成为钛合金加工中最困难 的工序。同时，由于钛合金与刀具材料具有很强的化学亲和性，切压强很大很温 度很高的情况下，很容易使刀具产生粘结磨损。车削钛合金时，有时前刀面的磨 损甚至比后刀面更为严重；研究表明，当进给量序0 1 彻训r 时，磨损主要发生在后 刀面上；当厂 o 2 m m r 时，前刀面将出现磨损。 由于钛合金具有以上典型的切削加工特点，钛合金的成为典型难加工材料， 实现其高效加工成了相关科研单位和企业的共同目标。 笙! 童鱼迨 一一 一一 1 4 课题主要研究内容 通过对钛合金的应用及其切削加工研究现状的分析，钛合金的高效切削是未 来发展的主要趋势，也是钛合金广泛应用所亟待解决的难题。为了对钛合金的高 速切削机理进行系统全面的研究，本课题致力于建立起正确的切削仿真模型，对 钛合金切削加工过程进行虚拟数值模拟，研究切削过程的切削状况。本文主要内 容有以下几点： ( 1 ) 钛合金高速切削仿真模型的建立。有限元仿真的模型主要有几何模型及 其网格划分、材料的流动应力模型、切屑分离准则、材料的断裂准则等模型。目 前国内外对钛合金切削基于有限元软件仿真的资料越来越多，仿真模型也是各种 各样，其中大部分都在二维切削模型的基础上进行，对问题分析也不是很全面。 本课题j 恨据不同的研究对象，设定不同的切削仿真模型，能够较好的说明问题， 得到较准确的仿真结果。 ( ：2 ) t c 4 高速切削力的仿真分析。为了更好地研究钛合金高速切削过程中切 削力的规律，本课题建立了三维仿真模型，在该基础上借用正交实验方案法，对 切削力进行了仿真并建立了其指数的数学模型，分析了切肖4 速度、切削深度、进 给量对切削力的影响规律。 ( 3 ) 钛合金高速切削锯齿切屑形成机理分析。钛合金在切削加工过程中很容 易形成锯齿切屑，这是它典型的切削特征。目前锯齿切屑形成原理仍然存在着分 歧，主要有周期性裂纹扩展理论和绝热剪切理论。为了对切削区的应力、应变、 及其温度进行准确的分析，本课题建立了正交切削仿真模型，基于该模型对t c 4 锯齿切屑一个锯齿的形成过程进行了详细的跟踪仿真，并分别研究了切削用量及 刀具结构对切屑锯齿形状的影响。 ( 4 ) 钛合金已加工表面残余应力分布情况的研究。工件表面的残余应力分布 对工件表面质量有重要影响，而测试残余应力一直是科研的难题，对残余应力的 分析也就成为研究的主要手段。本课题在三维切削模型的基础上，对t c 4 高速切 削已加工表面的残余应力分布进行了仿真分析，并总结了切削速度和刀具结构对 表面残余应力分布的影响。 绍容介内 ， 要 述主阐的了究行研进题 状课见长现本 究了研绍 卜 上_ 外介 内后国最 和 义况意情现用 究应 研其 、 及景以背点 究特 十r 研削 题切课与 本能对性 。先的珐鞔销础本合寇 钛研了和 第2 童里墅q 坐鏊堡垦塑! ! 堡型塑堡皇 一一。 第2 章d e f 0 蹦软件及切削模型的建立 2 1 软件介绍 2 1 1 适用范围和对象 目前应用较为广泛的有限元软件有m s c n a u s t r a i l 、m s c d y t r a n 、m s c m a r c 、 a n s y s 、a d i n a 、a b a q u s 等软件。m s c 烈。a s t r a n 是目前国内外对于金属切削加 工过程的仿真的常用的仿真软件有：d e f o r m 、m s c 著名结构分析程序软件， m s c d m m 是动力学分析程序软件，m s c n v i a r c 是非线性分析软件，a n s y s 是通 用结构分析软件，a d i n a 和a b a q u s 同样也是非线性分析软件。d e f o r m 是针 对金属成形分析专用的有限元软件【2 0 】，是一套基于工艺模拟系统的有限元仿真 ( f e m ) 软件，在一个集成环境中，综合了建模、成形、热传导和成形设备特性进 行模拟仿真分析。它具有鲁棒性好、易于使用的特点，其强大的模拟引擎，能够 分析金属成形过程中多个关联对象耦合作用的大变形和热特性 3 】。所以本文采用 d e f o r m 软件来进行高速切削t c 4 钛合金的车削仿真。 d e f o r m 具有友好的用户图形界面，操作简单方便。它有高度模块化、集成 化的有限元模拟系统，有限元网格自动生成器以及网格重划分自动触发系统。具 备集成的金属合金材料库、多种成形设备模型和可供用户自定义的子程序。 d e f o r m 具有完善的i g e s 、s t l 、i d e a s 、p a t r a n 、n a s t r a n 等c a d 和c a e 接口，方便用户导入模型。它提供了2 3 0 多种材料数据库资料，几乎包含 了所有常用材料的弹性变形数据、塑性变形数据、热能数据、热交换数据、晶体 长大数据、材料硬化数据和破坏数据，方便用户在计算过程中使用。系统集成了 在任何必要时能够自行触发的自动网格重划生成器，能生成优化的网格模型。在 精度要求较高的区域，还可以划分较为细密的网格，从而降低解析模型，并显著 提高计算效率。提供三种迭代计算方法：n e w t o n r a p h s o n 、d i r e c ti n t e r a t i o n 和 e x p l i c i t ，用户可根据不同工况、不同材料性能选择不同计算方法。d e f o r m 采用 的多种控制选项和用户子程序使用户在定义和分析问题时有很大的灵活性。 一鎏塑型三奎堂堡圭堂篁笙茎 。 d e f o i u m 使用并行求解可显著提高求解速度。利用d e f o r m 可获得金属成形过 程的速度场、静水压力场、应力应变场、温度场结果，以分析型材成形中波浪、 扭拧、折叠、裂纹等缺陷。它可帮助技术人员设计二 具和产品工艺流程，以减少 昂贵的现场试验成本，提高工模具设计效率，降低生产和材料成本，优化模具结 构及工艺参数，缩短新产品的研究开发周期。2 0 世纪7 0 年代后期，位于美国加州 伯克利的加利福尼亚大学小林研究室在美国军方的支持下开发出有限元软件 a l p i d ，2 0 世纪9 0 年代在这一基础上开发出d e f o r m 一2 d 软件。该软件的开发者 独立出来成立了s f t c 公司，并推出了d e f o r m 软件。d e f o r m 一3 d 则可以对 复杂的模具、等三维零件等进行虚拟样机实现。 d e f o i 洲通过在计算机上模拟整个金属成形过程，帮助技术人员设计工模具 和产品工艺流程，从而减少了昂贵的现场试验成本；通过提高工模具设计效率， 从而降低生产和材料成本，缩短新产品的研究开发周期。 2 1 2 功能模块 d e f o r m 2 d 、3 d 模块适用于各种常见的u n i x 工作站平台( h p ，s g i ，s u n ， d e c ，i b m ) 和w i n d o w s - n t 微机平台，可以分析平面应变和轴对称等二维和三维 模型。它包含了最新的有限元分析技术，既适用于生产设计，又方便科学研究。 较高的定位精度，以保证扫描高度的准确性。 相对于d e f o r m 2 d ，d e f o r m f 2 ，d e f o r m f 3 更容易使用。它主要用来 分析成形过程中平面应变和轴对称等二维和三维材料的流动，对于典型成形过程， 具有向导化的操作界面，用户能够很轻松完成前处理设置。 d e f o r m h t 模块附加在d e f o r m 一2 d 和d e f o r m 之上，能够分析热处理 过程，包括晶相组织分布、硬度、残余应力、含碳量等。自动进行网格重划和插 值处理，还可以对复杂的材料流动特性进行模拟，除变形过程模拟外，还能够考 虑材料相变、含碳量、体积变化和相变引起的潜热，计算出马氏体体积分数、残 留奥氏体百分比、残余应力、热处理变形和硬度等一系列相变引发的参数变量。 d e f o r m t o o l 模块提供加强性工具，包括报告生成器( 可进行动画、文件 编辑等，继而生成计算报告) 、三维后处理工具( 2 d 计算结果可以显示成3 d 的方 式，并可生成3 d 动画) 、计算任务管理工具( 允许用户按一定顺序提交多个计算 任务) 。此外，d e f o 王u m 还有a d d o n 等其他功能模块。 1n 第2 章d e f o r m 软件及切削模型的建立 2 2t ( ：4 材料模型的建立 2 2 1 材料的本构模型 行切削模拟前，首先要确定被加工材料在高温变形中材料的本构行为【2 1 】。它可以 的甚至高达1 0 6 s ) ，高温( 1 0 0 0 以上) 和大应变( 4 以上) 下的材料本构行为2 2 1 。 料本构模型有j o l u l s o n c o o k 模型、0 x l e y 模型、m a e k a w a 模型、e i m a 酣模型和 e r c 模型等【2 3 】。本文仿真的流动应力模型采用国际上广为引用的j o l l i l s o n c o o k 的 叫叫卜珊_ ( 箍门 沼， 岛为参考应变速率。 等号右边第一部分表示应变占对流动应力盯的影响，第二部分表示应变速率 本：之中t c 4 材料模型参考刘东等人所取得的参数，采用的j c 模型为【2 4 】： 苫= 9 6 8 8 8 + 5 6 7 ，7 c；，0375+。349妄c一秒13。， c 2 2 ， 沈阳理工大学硕士学位论文 图2 1 流动应力变化规律 2 2 2 断裂准则模型 在研究材料的断裂问题时，通常希望能建立起适用于各种情况的断裂法则。 像米赛斯歪形能屈服条件或特利斯卡最大剪应力屈服条件那样。然而，经过对断 裂现象的深入观察，认为象这种形式的通用断裂法则，目前是不存在的。例如韧 性断裂和脆性断裂就有很大的区别。韧性断裂是在材料产生了大的塑性变形后发 生的，材料在加载后，局部地形成塑性区，随着载荷的增加，塑性区稳定地扩大， 裂纹不断扩展，最后导致断裂，并出现斜断口，如铝板被拉断时的情况。脆性断 裂是指一般材料在很低的应力下，几乎没有发生什么塑性变形就突然发生断裂， 这种快速断裂，塑性区和裂纹尺寸相比很小，断口平正，此外，还有玻璃之类的 材料通常也都在屈服的同时就发生脆性断裂，可是在静水压作用下却转化为韧性 断裂。从这些现象中，人们对裂纹附近的应力场以及断裂微观机理的研究颇为重 视，目前已能根据不同的机理来区分脆性断裂和韧性断裂，并对二者之间的相互 转化作出解释【2 5 】。 近来随着线性断裂力学的发展，逐步弄清了关于脆性断裂条件的基本问题， 但对建立韧性断裂条件尚有困难。此外，对于铸铁一类脆性断裂和韧性断裂呈混 合状态的材料，也未弄清其断裂条件。在切削加工时，往往要求把材料控制在某 一局部的断裂，因此断裂力学和塑性力学同样重要。断裂力学在今后的发展中需 要研究很多问题，例如以断裂为主的脆性材料加工问题，在切削加工时材料的被 加工性问题以及刀具的破损问题等。 12 一一 一 一 一 一 。 第2 章d e f o i u m 软件及切削模型的建立 钛合金的断裂机制属于韧性断裂机制2 6 2 7 1 ，因此切屑断裂准则采用经f i l i c e 等 人证明较为有效的n o m a l i z e dc o c k r o r l 础锄断裂准则【2 8 2 9 1 ，即： c = r 詈d ； ( 2 - 3 ) 式中：口+ 最大主应力： 仃材料的等效应力； 占等效应变； c 临界破坏值，该值与材料有关，可以通过拉伸实验获得。 通过查阅金属材料手册，得到t c 4 在高温的力学性能为抗拉强度吒为 6 2 0 m p a ，断面收缩率沙= 2 5 ，则由公式可以计算： 仃= 仃，= 吒( 1 + ) = 7 7 5 死沪臼 ( 2 4 ) g ，= 一l i l ( 1 一) = o 2 8 ( 2 5 ) 在应变率和温度一定时，t c 4 的等效流动应力为： 苫：9 6 8 8 8 + 5 6 7 1 7 占o 3 7 5( 2 6 ) 故断裂准则值可以计算如下： c 2 了丽妇。一o m 7 ， 2 2 3t c 4 的其他物理性能 钛合金t c 4 由多种合金元素组成，并且这些合金元素都有其固定的含量。表 2 1 即为钛合金t c 4 的化学成分表【1 3 15 1 。 表2 1t c 4 化学成份表 材料的强度与硬度等是评定材料机械性能的重要标准，钛合金t c 4 的机械性能如表 2 2 所示： 沈阳理工大学硕士学位论文 表2 2t c 4 机械性能表 材料 t i 6 a i 4 v ( t c 4 ) 抗拉强度( m p a ) 屈服强度( m p a ) 弹性模量 硬度( h r c ) 9 9 3 8 3 0 1 1 4 3 6 杨氏模量是钛合金的又一重要物理性能，并且由实际理论可知，杨氏模量是 随温度的变化而变化的，钛合金t c 4 的杨氏模量随温度的变化值如表2 3 所示： 表2 3 杨氏模量随温度变化值 钛合金的热传导系数与热容相比于其它金属来说是比较小的。因此，这也成 为了钛合金难加工的一个重要原因。同杨氏模量一样，钛合金t c 4 的热传导系数 和热容也是温度的函数，其随温度的变化值如表2 4 所示： 表2 4 热传导系数、热容随温度变化值 在d e f o i 洲的材料模型中，材料的热熔单位为“m m 2 c ) ，这就需要在输入参 数时，对相关数据进行转化处理，推理如下： ( mmz c ) ：旦兰旦与：业上 、7 g c 聊聊3 g c m 加3 ( 2 8 ) = 等志= 寿一寺= c p = 一j = 一= 一一_ 二l = ，。d g c 10 - jcm g c c 垅 。 所以在d e f o m 中，它的热容数据其实等于材料的实际热容乘以材料的密度。由于 刀具的热传导系数和热容均为常数，本文取硬质合金刀具的热传导系数为5 9 n s e c 和热容o 0 2 n m m 2 3 0 1 。 金属的切削加工属于塑形成型问题，必须考虑成型件与环境的热扩散问题， 在d e f o n l l 中，考虑工件自由表面与外界以对流和辐射两种方式进行热交换。模拟 第2 章d e f o i m i 软件及切削模型的建立 时通过对流和辐射两种方式实现。对流：模拟时通过设置环境温度和对流系数来 实现。本文中假设环境温度统一为2 0 ，而与环境的对流系数为o 0 2 n s e c m m ； 辐射：在m a t 舐a 1 中t l l e r n l a l 下设置辐射系数。其中的刀具的辐射系数值取零，而 t c 4 工件的辐射系数值取o 7 。因为这两种换热在几何模型上看来是不接触的，就 需要在物体的边界条件定义( b c c ) 中指定与外界热交换的曲面( h e a te x c h a n g e w i t he n “r o n m e n t ) 【3 0 1 。 2 3 有限元切削仿真模型 2 3 1 几何模型及其网格划分 d e f o i w 软件与u g 、p r o e 等三维建模软件建立了良好的接口功能，仿真的 几何模型构造可以采用三维建模软件，在三维建模软件里必须把几个相互作用的 物体模型准确的定位，导出生成冰i g e x 或者木s t l 文件，然后在d e f o 则的模型 设定步骤中调用上述文件即可建立好切削几何模型。此外，d e f o r m 软件的前处 理模型设定了刀具库和工件形状结构的定义模型，当进入到刀具模型的设定步骤 时，就可以调用刀具库，选择切削仿真所需要的刀具。本文仿真所调用的刀具结 构型号是d n m a 4 3 2 ，材料为硬质合金，刀架选择的型号是d d p n n ，由此切削过 程中的； 具角度也设定完毕。接着进行工件的几何模型设定环节，d e f o r m 的切 削模块提供两种形状的工件，一种是直的，一种是带有弧度的，本文仿真所定义 的工件是带有弧度的，设定其直径为5 0 m m ，弧长为2 0 m m 。定义后的仿真几何模 型如图：2 2 所示： 图2 2 刀具jl j 件儿何模型 沈阳理工大学硕士学位论文 在网格划分上，d e f o 州中有绝对相对网格划：分两种，绝对的网格划分设置 中只需要设定模具的网格数量，而在相对的网格划分中需要设定最小单元的尺寸， 以及整体网格划分的比率。系统在设定的模式下自动生成网格。本文在切削力的 三维仿真，以及切屑形成的二维仿真中均采用绝对的网格划分规则。且为了减小 计算的工作量，同时保证切削仿真的精度，在仿真过程中均设置了局部细划分功 能，就是在切削区所在的一定范围内加大网格的密度，而在远离切削区的地方使 网格数量相对稀疏，这样就减小了有限元中权值矩阵的大小，使计算更简单。 2 3 2 摩擦模型的建立 在金属切削加工的过程中，刀具的前刀面与切屑、刀具的后刀面与工件都存 在摩擦，由此产生切削力、切削热将对工件的精度和表面质量、刀具的强度和耐 用度等产生重要影响。同时，在切屑、刀具、工件中引起温度、应力、应变等物 理量的重新分布，这些物理量之间的相互耦合作用使工件产生塑性变形。因此， 正确理解和分析切削过程中刀具与切屑、工件之间的接触摩擦问题，建立适当的 刀工、刀屑摩擦模型是切削加工仿真成功的关键因素之一。 通过研究发现，在切屑与刀具前刀面的接触面上，出现两个不同规律的摩擦 区域，由于前刀面与切屑相互挤压，切削温度升高，靠近刀尖部分区域散热较慢， 该区域切屑处于塑形状态，与刀面接触部分粘结在前刀面上，当切削应力达到最 大剪应力时，切屑里层发生撕裂，于是该区域的摩擦实际上是切屑表皮与内层的 内摩擦即粘结摩擦；远离刀尖部分区域散热较快，温度比刀尖部分低，切削应力 下降，材料也在变形后经历了短暂的冷作硬化，该区域的摩擦属于刀具与切屑间 的滑动摩擦，为滑动摩擦区 3 1 ，3 2 1 。 在切削仿真中摩擦模型的设定中，很多学者进行了不同的尝试，有的仅仅用 了库伦摩擦来简化模型，有的利用实验得到切削力与切削速度的关系，然后对根 据切削力与摩擦力的关系，把摩擦系数拟合成速度的函数。d e f o n n 软件前处理中 的i n t e r - o b i e c t 一栏里面专门有一个f r i c t i o nw i n d o w 窗口，可以在刀具与工件中设 置多个摩擦区域，不同的摩擦区域设置不同的摩擦类型。考虑到在钛合金切削过 程中，粘结摩擦现象比较明显，本文在切削仿真过程中采用设定不同摩擦窗口如 图2 3 所示，所有设定的窗口在切削运动过程中与刀：具保持相对的静止。首先在刀 尖周围设定一个窗口，拟定刀具与工件在该区域内的摩擦为属于粘结摩擦区，摩 1 6 第2 章d e f o i i m 软件及切削模型的建立 擦应力为剪切应力，系数选择h o tf o 哂n g