（机械制造及其自动化专业论文）置氢钛合金tc4高速切削刀具磨损有限元仿真分析.pdf

n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s t r o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g f e ms i m u l a t i o no f t o o lw e a ri nh i g h s p e e dc u t t i n g o f t i t a n i u m a l l o y t i 6 a 1 4 vw i t hh y d r o g e nt r e a t m e n t a t h e s i si n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g b y s h id e f e n g a d v i s e d b y p r o f f uy u c a n s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m a r c h ，2 0 1 0 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外， 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所 涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均己在文中以明确方式标 明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 日期： 南京航窄航天大学硕十学位论文 摘要 延长钛合金切削加工中刀具使用寿命一直是航空航天工业以及其它行业制造技术中急待解 决的难题之一。已有研究表明，通过热氢处理可以改善钛合金切削加工性能，延长刀具使用寿命。 因此，研究不同置氢量下钛合金t c 4 的切削加工中刀具磨损情况具有重要的理论意义与应用价 值。 本文具体研究工作为：开展钛合金t c 4 车削加工刀具磨损实验，分析刀具的主要磨损机理， 并建立相应的刀具磨损率模型；对材料模型、定义摩擦接触类型、制定切屑分离准则等进行了分 析讨论，结合有限元软件朋a q u s ，建立了预测刀具磨损的数值模型；并通过二次开发软件p y t h o n 提取切削过程中刀具各变量，计算得到刀具的磨损量。 本文重点研究分析置氢钛合金t c 4 切削过程中的刀具表面温度、压应力、刀具磨损率和刀 具磨损量随置氢量的变化趋势。试验与仿真结果表明：当钛合金中置入氢含量为o 3 ( 质量比) 时，材料具有较好的切削加工性，相同切削条件下，刀具磨损量最小。 关键词：钛合金，置氢，正交切削，有限元分析，刀具磨损 置氢钛合金t c 4 高速切削刀具磨损有限元仿真分析 - _ 一一 一_ 一 a bs t r a c t t h ep r o b l e mo ft o o lw o r k i n gl i f ei nc u t t i n gt i t a n i u ma l l o y ss h o u l db es o l v e du r g e n t l yi na i r c r a f t ， s p a c e c r a f ta n do t h e rm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r i e s r e s e a r c h e si n d i c a t e d t h a tt i t a n i u ma l l o y sw i t hs u i t a b l e a m o u n to fh y d r a g o nc a l li m p r o v et h ec u t t i n gp e r f o r m a n c ea n de x t e n dt o o ll i f e t h e r e f o r e ，i ti sv e r y i m p o r t a n ta n dv a l u a b l et of i n do u tt h et o o lw e a l p e r f o r m a n c ei nc u t t i n gt i t a n i u ma l l o yt i 6 a 1 4 vw i t h d i f f e r e n c ec o n t e n t so f h y d r o g e n i nt h i sp a p e r ，f o l l o w i n gw o r k sa r ec a r r i e do u t f i r s t l y ，t o o lw e a l e x p e r i m e n t s ，a n a l y z i n gt h et o o l w e a l m e c h a n i s ma n de s t a b l i s h i n gt h et o o lw e a l r a t em o d e l s e c o n d l y ，a n a l y z i n gt h em a t e r i a lm o d e l ， f r i c t i o n a lc o n t a c tt y p ea n dc h i ps e p a r a t i o nc r i t e r i a ，t h e nt h et o o lw e a rp r e d i c a t i o nm o d e la r es e tu pw i t h f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea b a q u s f i n a l l y ，t h ev a r i a b l e so fc u t t i n gp r o c e s sa r ee x t r a c t e da n dt h et o o l w e a l i sc a l c u l a t e db yt h en u m e r i c a lm o d e lw i t hp y t h o np r o g r a m m i n g t h ep a p e rf o c u s e so nf i n d i n go u tt h et o o ls u r f a c et e m p e r a t u r e ，c o m p r e s s i v es t r e s s e s ，t o o lw e a rr a t e a n dt o o lw e a rv a r i a t i o nt e n d e n c yw i t ht h ec h a n g eo fa m o u n to fh y d r o g e ni nc u t t i n gh y d r o g e nt i t a n i u m a l l o yt i 6 a 1 4 v r e s u l t ss h o wt h a t w h e nt h eh y d r o g e nc o n t e n ti su pt oo 3 ( m a s sr a t i o ) ，t h e m a c h i n a b i l i t ya n dt o o lw e a rp e r f o r m a n c eo f t h et i 6 a 1 4 v a l et h eb e s t k e y w o r d s ：t i t a n i u ma l l o y ，h y d r o g e nt r e a t m e n t ，o r t h o g o n a lc u t t i n g ，f m i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) ， t 0 0 1w e a r 1 1 3 置氢对钛合金切削加工性的影响3 1 2 金属切削过程有限元分析4 1 2 1 仿真方法概述4 1 2 2 金属切削加工有限元分析的研究现状6 1 2 3 刀具磨损有限元仿真研究现状7 1 3 本课题拟开展的工作8 第二章钛合金切削刀具磨损率数学模型的建立9 2 1 试验条件9 2 1 1 工件材料9 2 1 2 机床与刀具9 2 1 3 测力与测温系统9 2 1 4 三维视频显微镜1 1 2 1 5 切削参数设置1 1 2 2 刀具磨损试验分析1 2 2 2 1 磨料磨损1 2 2 2 2 粘结磨损1 3 2 2 3 扩散磨损1 4 2 2 4 磨损分析总结1 6 2 3 常用刀具磨损公式1 6 2 4 刀具磨损率方程计算1 8 2 5 本章小结2 0 第三章刀具磨损有限元模型的建立2 1 3 1 有限元分析原理与仿真软件介绍2 1 3 1 1 非线性有限元分类2 3 3 1 2a 剐q 淞软件介绍2 3 3 2 钛合金切削过程仿真2 5 1 1 l l l 2 ，工 置氢钛合金t c a 高速切削刀具磨损有限元仿真分析 3 2 1 几何模型的建立 3 2 2 材料模型的建立 3 2 3 磨擦模型与切屑分离准则 3 2 4 切削模拟参数 3 3 刀具磨损量计算方法 3 3 1 刀具表面温度 3 3 2 刀具表面节点应力 3 3 3 相对滑移速度 3 3 4 计算刀具磨损与刀具几何形状更新 3 4 本章小结 第四章置氢钛合金高速切削刀具磨损分析3 3 4 1 刀具表面温度分析3 3 4 2 前刀面压应力分析3 4 4 3 刀具磨损分析3 6 4 4 仿真与试验结果对比分析3 8 4 5 本章小结4 1 第五章总结与展望4 3 5 1 总结4 3 5 2 展望4 3 参考文献4 5 致谢4 8 在学期间的研究成果及发表的学术论文4 9 图2 7 磨损刀具的能谱图 图2 8 刀具磨损前刀面测绘示意图 图2 9 磨损率方程常量拟合图 图3 1 刀具磨损分析步骤 图3 2a b a q u s 内部对象 图3 3 几何模型 图3 4 刀具表面节点温度与压应力云图 图3 5 刀具滑移速度计算示意图 图3 6 节点位移方向示意 图3 7 刀具磨损量示意图 图3 8 切削3 0 脏刀具形貌变化示意 图4 1 前刀面切削弧区温度分布 图4 2 刀具表面最高温度随时间变化趋势 图4 3 刀具温度随置氢量变化趋势 图4 4 刀具前刀面压应力分布图 图4 5 刀具前刀面最大压应力随时间变化趋势 图4 6 刀具压应力随置氢量变化趋势 图4 7 刀具磨损率随置氢量的变化趋势 图4 8 刀具磨损率随刀具更新变化示意 图4 9 刀具磨损量随刀具更新后变化示意 图4 1 0 刀具前刀面磨损变化 图4 1 1 试验结果月牙洼形成测绘示意图 图4 1 2 仿真结果月牙洼形成示意图 图4 1 3 刀具磨损量仿真与试验结果对比 坞 均 趵 俎 筋 弱 钉 置氢钛合金t c a 高速切削刀具磨损有限元仿真分析 表1 1 常用仿真软件 表2 1t c 4 化学元素成分表 表2 2 肯纳k 3 1 3 刀片主要几何参数 表2 3 切削参数 表3 1 钛合金t c 4 热物理性能 表3 2 钛合金几刃的力学性能 表3 3j - c 公式参数 表3 4 刀具的物理和热力学性能 表3 5 切削仿真的参数 6 9 9挖卯 卯 卯勰约 | m ，行 s p 口 p q 温度 热电势 应力 屈服应力常数 应变强化常数 应变强化指数 应变率强化指数 温度应变率灵敏度 参考温度 钛合金熔点温度 磨料磨损常数 磨损量 磨损常量 磨损常量 摩擦系数 刀具寿命 摩擦剪应力 剪切流动应力最大值 肿 砌 鼢 m r e 口 彳 曰 疗 m c 绋 吃 g 形 山 研 p 0 t 南京航空航天大学硕二匕学位论文 第一章绪论弟一早珀了匕 金属钛元素在地壳里的分布比较广泛，其含量排位为第九位。但由于钛与氧的结合能力比较 强，在自然界中很难发现纯钛，而且很少发现高含钛量的矿石，同时制取金属纯钛工艺复杂、难 度大，从而使得钛及钛合金长期不能广泛应用于工业生产p - 3 1 。 自2 0 世纪4 0 年代以来，由于航空航天技术的迫切需要，钛工业得到迅速的发展。由于钛合 金具有比强度高、耐热性和耐蚀性好等优良性能，是很好的结构材料和功能材料，被认为是一种 “全能金属”，不仅成为现代航空航天工业中不可缺少的结构材料，而且在造船、化工、冶金、 医疗等方面也获得了广泛的应用。也被称之为“2 1 世纪的金属”，预计在2 1 世纪将有很大的发 展4 ，5 1 。然而钛合金是典型的难加工金属材料，因此通过先进的制造工艺去改善钛合金的加工性 成为研究的热点。 1 1 钛合金切削加工性及热氢处理工艺 1 1 1 钛合金的切n i j n 工性 所谓材料的切削加工性，就是对材料进行切削加工的难易程度。衡量材料切削加工性的指标， 一般认为有以下四个方面：刀具耐用度的大小、加工表面质量的优劣、切削力或切削功率的大小、 材料的断屑性能。在机械工业中，钛合金被认为是常用的难加工材料，其原因如下【3 l ： 1 ) 导热、导温系数小，切削温度高。钛合金的导温系数小，分别是铁和铝的1 1 4 和i 6 ，这 是造成切削温度高的主要原因。 2 ) 切屑与前刀面接触面积小，刀尖应力大。钛切屑与前刀面接触面积小，只有4 5 钢的1 2 2 3 ， 所以切削刃承受的应力大，是碳钢地1 3 一i 5 倍。刀尖附近应力集中，刀尖或切削刃容易磨损甚 至损伤。 3 ) 化学活性高，与金属形成合金的倾向大。钛及钛合金高温时化学活性很高，能与空气中 的氢( 水汽) 、氧和氮起化合作用。这些元素与钛合金化合生成脆硬层，降低塑性并且使切屑与 前刀面的接触长度减小，促使刀具磨损。同时，钛合金也很容易同刀具材料起化学作用，造成刀 具材料的扩散，使刀具磨损严重。 4 ) 摩擦系数大，刀具前刀面摩擦系数高。钛合金与刀具材料间的摩擦系数远大于碳钢与刀 具材料间的摩擦系数。由于钛合金切屑变形系数远较其他金属材料小，因而切屑沿前刀面流出的 摩擦速度k = 1 ，f 较高。结果是摩擦功大，摩擦界面温度高，加剧刀具磨损。 5 ) 弹性模量小，屈服比大。弹性模量小就意味着切削加工零件产生较大的变形，弹性模量 小和屈服比大又会使已加工表面产生较大的回弹。从而一方面容易引起加工零件的尺寸超差，另 一方面回弹使切削时刀具的实际后角减小，后刀面与工件的摩擦增加。 置氢钛合金t c 4 高速切削刀具磨损有限元仿真分析 钛合金切削加工性差在一定程度上限制了它的进一步推广和使用。于是围绕钛合金开展的新 工艺和新技术的研究逐渐成为了热点。 1 1 2 钛合金热氢处理工艺 氢能导致脆性，恶化一些材料的性能( 如磁性、耐蚀性等) ，所以长期以来，人们把氢视为 有害杂质元素，尽量排除。1 9 5 9 年，原西德学者z w i e c k e r 和s c h l e i c h e r 在钛合金弘蹦，、t i - i o a i 、 t i - 1 3 a l 和t i 8 a l - 3 i n 铸锭加入适量的氢元素，研究其热压力加工性能时发现性能得到明显改善， 从而提出了氢增加钛合金热塑性的观点，并通过实验验证了该观点，揭开了钛合金氢处理工艺的 新的一页【6 】。 氢处理技术是近年来改善钛合金性能的一种新方法 7 1 。它是利用氢作为临时合金元素，以氢 的可逆合金化和热影响相结合为依据，在钛材机械加工前，将氢气固溶到钛合金材料中，改变合 金的相成分和组织结构，从而改善合金各种加工性能；钛材加工后通过真空退火去除钛合金中的 残余氢，抑制其消极作用，保证钛合金制件服役时不发生氢脆。这种利用氢致塑性、氢致相变， 以及利用钛合金中氢的溶解及其反应具有可逆性，以实现钛氢系统最佳组织结构、改善加工性能 的工艺，是一种新技术、新方法和新手段。利用该技术不仅可以改善钛合金的加工性能，而且可 以提高钛制件的使用性能，提高钛合金的加工效率，降低钛合金的制造成本。 近年来钛及其合金的氢处理技术是材料科学与工程领域里一个比较活跃的研究方向。世界上 的航空航天业发达的国家，如俄罗斯、美国等，对于钛及钛合金的氢致改性的研究已经取得了很 大的进展，相继研究证明了氢能够改善钛合金的结构组织、力学性能、压力加工、扩散加工、变 质加工等。 k e r r 等【8 】报道了以氢作为临时元素添加到钛合金中，细化合金组织、改善合金力学性能的研 究结果，这种被称为h y d r o v a c 的氢处理工艺包括氢化、口固溶处理+ 水淬、共析转变和真空退火 除氢等工序乳1 2 】。该工艺在p 单相区固溶处理和在叶p 两相区共析处理时，得到的组织不一致， 并且在同一氢含量范围内渗氢后的组织还与冷却速度有关。 另外，有被称为t c t 工艺( t h e r m o c h e m i c a l - t r e a t m e n t ) 的报斟1 3 】，其特点是将t c 4 钛合 金进行口固溶处理，随后淬火，然后再进行氢化与真空除氢。该工艺可获得细小的叶口组织， 淬火温度为1 0 2 5 。c ，渗氢温度为5 9 0 c ，真空除氢温度为7 6 0 ，经过这样的处理后改善了合金 的疲劳性能。 日本的研究者主要有日本钢铁公司的k i m u r a 、y o s h i m u r a 等【14 1 ，他们的研究以改善钛合金组 织为主，并在氢处理设备上做了一定的工作。 在国内，北京航空材料研究所的张少卿【”1 在热氢处理中发现，氢处理细化钛合金组织，氢 致热塑性，探讨了氢对钛合金超塑性的影响，氢致两相钛合金超塑性的机理。宫波1 6 】、赖祖函 研究了以氢为临时合金元素的热化学处理( 咒p ) 对叶口钛合金的组织、拉伸性能和断裂韧性的 2 南京航空航天大学硕士学位论文 影响。结果表明：几种t c p 工艺对t i 6 a 1 4 v 合金的魏氏组织和t i 5 a 1 2 5 f e 合金的锻造组织均有显 著的细化作用，明显提高合金的屈服强度。北京航空制造工程研究所的侯红亮【1 刀、李志强等综 述了钛合金中氢对改善压力加工、扩散加工、机械加工和铸造钛合金变质加工的组织、力学性能 和加工性能的作用，简要分析了其改性机理，并展望了钛合金热氢处理技术的应用前景。韩明臣 p 】在“钛合金的热氢处理”一文中综述了钛合金热氢处理的基本原理和工艺以及热氢处理对钛合 金铸件、残钛、钛铝化合物、钛基复合材料的组织、力学性能和加工性能的影响。哈尔滨工业大 学金属精密热加工国家级重点实验室的苏彦庆【l8 】等人通过在钛合金中引入临时元素氢，可以改 变钛合金的相组成，进而改变钛合金的力学性能和加工性能，并利用0 1 ，x r d 和t e m 研究了 固态置氢后t c 4 钛合金的微观组织变化。 1 1 3 置氢对钛合金切削加工性的影响 俄罗斯学者的研究表明：钛合金中加入适量的氢可以显著改善其切削加工性能，可以降低切 削区温度5 0 1 5 0 ，降低切削力6 6 旷7 8 ，改善切屑的形状，使带状切屑转变为断屑，提高刀 具寿命和加工效率，刀具寿命可提高2 l o 倍f 1 9 1 。莫斯科国立航空技术大学的k o l a c h e v 等人对 0 f 钛合金曰刀0 和b t 5 1 ，近a 钛合金b 1 2 5 和b 1 2 0 ，洲印钛合金b t 3 1 、b 1 1 5 和b i g 进行了车 削试验，采用了u d m 6 0 0 动态测力仪设备和自然热电偶测温方法研究了氢对切削力、切削区温 度以及刀具寿命的影响情况，研究结果表明：氢对改善钛合金的切削性能有良好的作用，如b t l 0 钛合金加入0 3 加6 的氢，以4 0 - 4 j o m m i n 的切削速度加工，切削区的温度降低了1 0 0 - - 1 5 0 ， 切削力从3 3 0 - 一3 8 0 n 降低到2 0 0 - 2 3 0 ，刀具寿命提高了3 倍：b t 5 1 加氢后，其切削区温度变化 不明显，氢含量小于o 2 时，切削力略有增加，随后切削力逐渐降低，当氢含量达到0 5 时， 切削力最小，此时刀具寿命提高1 0 倍；b 2 5 的氢含量为o 6 o 7 ，其切削力最小，氢含量在 0 1 5 加2 和o 7 o 7 5 范围，其刀具寿命最高；b t 6 合金加入0 3 - - 0 4 的氢，具有良好的切 削性能，切削区温度降低5 0 - 7 0 1 2 ，切削力降低7 0 ，且刀具寿命最高；b 3 1 钛合金中加入0 3 的氢，在o 1 4 m m m i n 进给量和0 5 m m 切削深度条件下，切削区温度从7 0 0 8 5 0 降低到5 0 0 - 5 5 0 ，切削力从4 0 0 n 减小到2 0 0 n 。可见，钛合金加入适量的氢可以显著改善切削加工性能。 k o l a c h e w 等人同时还指出： ( 1 ) 氢对钛合金切削性能的有益影响存在一个最佳的氢含量范围。研究发现当b t 5 1 氢含 量在0 4 5 - - - 0 6 ，b t 2 0 氢含量在0 2 - - - 0 3 ，b i g 氢含量在0 6 5 - - 0 7 ，b t 3 1 氢含量在 o 3 , - - 0 5 ，b 2 5 氢含量在0 1 5 - - 0 2 和0 6 - - 0 6 5 范围内，其刀具寿命最长； ( 2 ) 热氢工艺温度对钛合金切削性能的影响很大； ( 3 ) 钛合金热氢工艺处理后刀具磨损的特点会发生变化； ( 4 ) 每一种钛合金的置氢量和切削参数都存在一个合理范围。采用b k 8 刀具切削8 0 0 渗 氢0 3 的b 3 1 钛合金时，在v - - - 4 0 m m i n 、户0 2 m m r 、a p = l m m 的切削条件下，刀具寿命提高了 3 置氢钛合金t c 4 高速切削刀具磨损有限元仿真分析 9 倍。随着切削速度、进给量和切削深度的增加，刀具寿命间的差异逐渐消失： ( 5 ) 切屑的脆性随着氢含量的增加而增加。 俄罗斯学者k o l a c h e v 等人还针对v t 5 1 钛合金专门开展了氢对其切削加工性影响 验。在置氢量为0 0 0 4 - 0 2 范围内，主切削力连续快速增大，置氢量在0 2 - 0 5 范围内，主 切削力逐渐减小，但当- p , 4 0 5 后，主切削力又重新增大。刀具在一定值的磨钝标准下，在 - * , 4 = 0 5 时，刀具耐用度达到最大值。置氢量在0 0 0 4 , - 0 5 范围内，切削区温度几乎保持不 变，当置氢量- p 4 0 5 后，温度增大。试验表明，在一定氢浓度范围内，v t 5 1 氢合金化减小 了其a n - r 时的切削力，提高了刀具寿命，并且改善v t 5 1 切削加工性，最佳置氢量为o 5 ，并 且指出，该最佳值受以下因素影响：微观组织的改变、切屑脆性的增强以及氢增塑性作用。 莫斯科国立航空技术大学的e g o r o r a 等人【1 1 1 研究了氢对钛合金组织的变化，从而影响其切削 加工性的情况，在对置氢钛合金显微组织进行了金相分析并对试验中的切削力、切削温度进行了 相关性回归分析后得到结论认为：钛合金的可切削加工性随着良相晶粒尺寸的减小而大大得到 改善；同时也指出，组织的改变不是改善钛合金可切削加工性的唯一因素，氢实质上还直接影响 了钛合金的切削加工过程。 由国外文献可以看出，不同类型钛合金，产生有益影响的氢含量范围各不相同，且同一种钛 合金降低切削力、切削温度与提高刀具寿命的氢含量也并不在同一区间范围。并且热氢处理温度 以及切削参数对氢改善钛合金切削加工性的效果有着很大影响。 在国内，北京航空制造工程研究所侯红亮1 刀等人在“氢致钛合金的加工改性”中通过对国 外相关研究情况的总结提出了：置氢可以改善钛合金加工性能的研究。其文献资料表明，通过对 不同充氢温度下的t i 6 a 1 4 v 钛合金进行车削试验，研究t i 6 a 1 4 v 合金车削力随氢含量的变化情况。 研究结果表明：在7 0 0 温度下渗入0 2 的氢，切削力最小，说明钛合金加入适量的氢可以显 著降低其切削力。 通过热氢处理，明显改善了钛合金的切削加工性，然而为评价改善效果，需做大量的实验。 当今，机械加工中一种时兴的方法是使用数值模拟方法来模拟金属切削过程，数值模拟主要采用 有限元法，有助于我们对于金属切削机理的理解，可以减少切削试验工作，有利于刀具的改进和 研发，对减少制造成本、缩短产品制造周期和提高产品质量意义重大。金属切削计算机仿真作为 高新技术越来越为人们所重视。本文将通过有限元数值分析技术研究置氢钛合金切削刀具磨损。 1 2 金属切削过程有限元分析 1 2 1 仿真方法概述 仿真是目前非常流行的虚拟制造技术之一【2 n ，它指的是用模型( 物理模型或者数学模型) 来模拟实际系统，代替实际系统进行实验与研究，在产品开发中已经成为常用的技术手段。以计 算机为主要工具的模拟仿真技术在2 0 世纪5 0 年代后得到了迅速发展，成为工程技术领域计算机 4 南京航空航天大学硕士学位论文 应用的重要方向之一。 由于工件材料种类和工艺参数的多样性和不断更新，在很长时间内对切削加工的研究及刀具 磨损只能局限在经验化范围内。这严重影响了人们对切削加工的效率和对刀具磨损的评估。随着 计算机仿真技术应用范围的不断扩展，一些学者将其引入到切削加工领域，形成了切削加工仿真 技术。目前，该技术对对实际生产具有很重要的指导作用，促进企业在实际生产中减少制造成本、 缩短产品制造周期及提高产品质量。 仿真技术的关键是对研究对象仿真模型的建立，只有对切削加工过程进行合理建模，在仿真 过程中才能准确地反映切削加工的本质，使仿真结果与实际更加贴近，并对实际生产起到指导作 用。 仿真实现的过程包括建立数学模型、通过计算机进行仿真分析、最后对仿真结果进行分析， 对有关参数进行调整使得仿真结果与实际更加吻合。计算机通常是不能直接认知和计算所需要研 究的对象，这就要求必须建立一个既能反映研究对象的实质，又易于被计算机处理的数学模型。 对于研究对象、数学模型和计算机之间的关系，可以用图1 1 来表示。 n 一 图1 1 仿真过程示意图 通过这个关系可以得出，数学建模的精准程度是决定计算机仿真精度的最关键因素。从模型 这个角度出发，可以将计算机仿真的实现分为三个大的步骤：数学模型的建立、模型的转换和模 型的仿真。得到仿真结果后，还需对其可靠性进行评价。 目前存在的切削加工仿真建模方法主要有三种：解析法、有限元法和分子动力学法。其中最 有效的是有限元法，国内外常用大型通用有限元分析软件如表1 1 所示。 另外还有许多针对某类问题的专用有限元软件，例如金属成形分析软件d 咖瑚，a u t o f o r m ， 金属切削仿真软件a d v a n t e d g e 等。 5 置氢钛合金t c a 高速切削刀具磨损有限元仿真分析 表1 1 常用仿真软件 软件名称简介 m s c n a s t r a n 著名结构分析程序，最初由n a s a 研制 m s c d y t r a n动力学分析程序 m s c m a r c 非线形分析软件 a n s y s 通用结构分析软件 a d l n a 非线形分析软件 a b a q u s非线形分析软件 1 2 2 金属切削加工有限元分析的研究现状 随着计算机技术的发展，金属切削加工的有限元模拟技术得到了长足的进步。通过对金属切 削加工过程进行物理仿真，可以预知刀具、切屑以及工件的温度场分布、应力应变关系、刀具磨 损等情况。自2 0 世纪7 0 年代k l a m e c k i b e 【2 2 】将有限元模型引入到切削加工仿真中以来，基于 有限元建模法高效便捷的特点，目前已在切削加工建模中得到广泛应用。应用有限元仿真的方法 在国内外已有了很大的研究成果。 1 9 8 0 年，l a j c z o k l 2 3 】建立了一个简化的正交切削模型，该文在不考虑切屑生成的条件下得到 了切屑的几何形状和切削力。1 9 8 2 年，u s u i 和s h i r a k a s h z 2 4 为了建立稳态的正交切削模型，第一 次提出了刀面角、切屑几何形状和流动应力等，并且预测了工件中应力、应变和温度的分布。1 9 8 4 年，1 w a t a 2 5 】等人将工件的材料假定为刚塑性体，利用刚塑性有限元法模拟了在低切削速度、低 应变率时的稳定正交切削过程。但是，由于他们没有考虑到材料的弹塑性变形，所以没有计算出 工件中残余应力的大小。s t r e n k o w s k i 和c l 口，7 2 6 】等人则把工件材料假定为弹塑性体，刀具和切 屑的接触面为绝热面，以等效塑性应变为切屑的分离准则，详细分析研究了刀具、工件和切屑中 温度、应力和应变的变化。他们发现切屑的分离准则临界值是随着切削深度的变化而改变的。1 9 9 0 年，s t r e n k o w s k i 和m o o n 2 7 】等人，用欧拉有限元法建立了金属的正交切削模型，忽略了工件的弹 性变形，模拟了切屑形成得到了工件、切屑和刀具中的温度场分布。矾“严8 】等人首次将低碳钢的 流动应力假设为应变、应变率和温度的函数，用有限元法模拟了连续切削中产生的积屑瘤，而且 在刀具和切屑的接触面上采用库仑摩擦模型，利用正应力、摩擦应力和摩擦系数的关系模拟了整 个切削过程。 o b i k a w a ，r o s h i y u h 2 9 】等人基于钛合金切屑的变形，用有限元分析的方法模拟的了正交切削 t c 4 钛合金切屑变形机制和切削特征，对应变率、应力、温度、切屑变形状态获得了图示示意。 o b i k a w a 3 0 】等人使用f e m 方法来计算3 n - r 钛合金t c 4 ，研究结果表明有限元仿真所得锯齿形切 屑和实际切削结果具有相似之处：切削力及其振幅与实验吻合。 w a n g ，z g l 3 l 】建立了高速铣削钛合金模型：j o h n s o n c o o k ( j c ) 模型与f e m 组合在一起模拟 6 南京航空航天大学硕士学位论义 了t c 4 钛合金的切削变形过程。山东科技大学李明艳等【3 2 】人以传热学为基础，建立切削温度二 维瞬态有限元模型。得出剪切热源引起的工件温度分布曲线。用有限元模拟温度分布，为提高零 件加工精度提供了依据。所使用的模型是二维切削的模型。梁文杰等【3 3 1 人以通用有限元软件 m a r c 为平台，建立了p c b n 刀具车削g c r l 5 材料的二维热力耦合有限元模拟；文东辉1 3 川等人 建立在m a t l a b 系统上的切削力预报系统，预报切削力的变化规律。黄志刚【3 5 等人在基于切削 加工的热弹塑性有限元方程，建立了金属正交切削加工的热力耦合有限元模型。采用a s a q u s 软件对材料4 0 c r n i m o a 进行了切削加工模拟，证明了所建立的有限元模型的正确性。 1 2 3 刀具磨损有限元仿真研究现状 在刀具磨损的有限元分析方面，y u n g - c h a n gy e l 3 6 等比较了刀具磨损的数学模型，提出臼井 模型比较适用于有限元分析，应用d e f o r m 2 d ，采用四步骤对刀具磨损进行仿真。文章表明， 采用四步骤法即切削瞬态分析，切削稳态分析，计算刀具磨损，更新刀具几何形貌可以较好的对 刀具磨损进行仿真。 l - j x i e t 3 7 1 等对正交车削过程刀具磨损进行仿真分析，使用a b a q u s 仿真软件，对连续切屑 成型进行仿真，仿真分为三步：初始切屑成型，切屑长大和稳定切屑成型，获得切屑形状，切削 力和热传导率，引入热传递分析后，可以得到稳定切屑形成中的温度分布，通过应用磨损率模型 使用p y t h o n 语言编程计算刀具磨损量，同时比较了仿真分析与实验结果。 l u i g i n of i l i c e l 3 8 】等认为刀具磨损包括很多问题，在有限元分析中需要一个比较精确的模型， 在切削过程中需要考虑刀具切屑，刀具工件的摩擦模型，该文加入热流配额系数h 较好的得到刀 具的温度场分布，与实验结果比较吻合。 a t t a n a s i o 掣3 9 】使用d e f o r m 3 d ，应用改进的t a k e y a m a m u r a t a 模型，使用自适应网格控 制对切削过程三维刀具模型进行仿真，得到刀具磨损量。 解丽静等m 】认为刀具磨损与刀面温度，刀屑和刀工界面的接触压力及相对滑动速度等切削 过程变量有关，应用有限元分析法对这些变量进行仿真预测，基于差分磨损模型，提出一种对切 削过程中刀具轮廓磨损变化的预测方法，以硬质合金刀具切削删舛j 材料为例，利用该方法 预测了硬质合金刀具切削a i s l l 0 4 5 材料时刀具因磨损而发生的轮廓变化，同时预测了刀具的前 刀面月牙洼磨损和后刀面磨损。比较预测结果与试验测量结果存在一定误差，认为其原因可能是 因为仿真时所使用的摩擦系数和模型特征常数与试验时的实际状况存在差异。同时在文献中1 4 1 】 对铣削过程中刀具磨损进行有限元仿真。 目前刀具磨损仿真还存在如下问题： 1 ) 刀具磨损率方程较多，但大多为基于某种单一的磨损机理建立的方程。 2 ) 磨损率方程大多应用7 0 , - - 8 0 年代推导的公式，然而由于工件材料和刀具材料等发生很大 的变化，应用这些方程仿真得到的结果与实验相差较大。 7 置氢钛合金t c 4 高速切削刀具磨损有限元仿真分析 1 3 本课题拟开展的工作 本课题的总体思路是在熟练掌握切削机理、刀具磨损机理和有限元分析原理等基本理论和相 关软件编程应用的基础上，应用大型有限元分析软件a b a q u s e x p l i c i t 模拟钛合金正交切削过程， 获取切削过程中刀具的温度场和应力场等的变量，通过改进的刀具磨损率数学模型，计算出刀具 的磨损情况。具体如下： 1 ) 设计钛合金切削刀具磨损试验，分析刀具磨损机理，推导能够全面反映钛合金切削刀具磨 损机理的刀具磨损率预测数学模型。 2 ) 将刀具磨损过程离散化，应用有限元分析软件将该过程分解为瞬态切削；稳态切削，获得 稳定切削时刀具表面的温度场与应力场分布，并通过p y t h o n 软件编程获得这些变量；应用刀具 磨损率方程计算刀具磨损量；更新刀具形貌。最终计算刀具磨损量。 3 ) 对不同置氢含量钛合金切削刀具磨损量进行分析，得到刀具磨损量与置氢量变化的规律， 对置氢工艺进行指导。 8 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章钛合金切削刀具磨损率数学模型的建立 合理正确的数学模型是有限元仿真的关键，如何建立刀具磨损的数学模型成为刀具磨损有限 元分析的重点和难点。由于不同刀具磨损机理得到的数学模型是不相同的，因此本文开展刀具磨 损试验，对各种刀具的磨损机理进行分析，探讨在钛合金切削过程主要的磨损机理，根据机理建 立刀具磨损率数学模型，并根据试验数据对模型进行拟合。 2 1 试验条件 2 1 1 工件材料 t c 4 是一种中等强度的两相钛合金，主要成分为9 0 z 抖6 4 m 儿合金具有优异的综合 性能，是航空、航天等工业部门中应用较为广泛的零部件材料。其化学成分如表2 1 1 4 2 1 所示： 表2 1 t c 4 化学元素成分表 2 1 2 机床与刀具 钛合金切削加工刀具磨损试验是在在国产c a 6 1 4 0 车床上进行，采用干式车削。与此同时测 量切削力与切削温度，建立的试验系统如图2 1 所示。试件为t c 4 钛合金圆形棒材。该机床主轴 转速范围为o 1 4 0 0 r m i n ，进给量范围( 标准) 0 0 8 1 5 9 m m r 。切削刀具采用肯纳刀具，型号为 k 3 1 3 ，为超细微粒硬质合金材质刀片。通过测量，刀片主要几何参数见表2 2 。 表2 2 肯纳 7 3 刀片主要几何参数 2 1 3 测力与测温系统 切削力通过测力仪( 如图2 2 所示) 进行测量。试验所用的测力仪为瑞士k i s t l e r 9 2 6 5 b 三向 压电式测力计( 见图2 2 a ) ，其几何尺寸为：长度2 2 0 m m ，宽度1 3 5 r a m ，高度8 0 m m 。该测力仪采 用多个石英传感器，具有分辨率高，固有频率高，对温度变化不敏感，温漂小等特点。测力仪的 基本参数有灵敏度：o 0 5 n ，量程：士1 5 k n ( 瓜i i , z ) ，刚度：i 胛k n , 测力仪所测得的信号 通常比较微弱，需经过k i s t l e r 5 0 1 9 4 电荷放大器( 见图2 2 b ) 的放大处理后，计算机才能识别处 理。放大后的力信号输入d y n o w a r e 采集系统，并通过由南京航空航天大学精密高效- r 研究所 9 置氢钛合金t c 4 高速切削刀具磨损有限元仿真分析 开发的测力与测温系统分析软件进行处理。 图2 1 刀具磨损试验示意图 ( a ) 测力计( b ) 电荷放大器 图2 2 测力仪 采用自然热电偶法测量切削温度，使用n iu s b 一6 2 1 x 信号采集卡( 见图2 3 ) 对切削加工中 的产生的热电势进行采集。该卡的主要性能指标：u s b 总线，1 6 位a d c ，1 6 路模拟输入，2 5 0 k s s 单通道采样率；2 路模拟输出，8 路数字输入线，每通道有4 个可编程输入范围( 0 2 v - _ 1 0 ； 数字触发，2 个计数器定时器。由于6 2 1 x 具有可编程输入范围调整能力，其理论最小测量电压 e 为：o 0 0 0 0 0 6 1 0 2 5 伏( 庐测量范围2 1 6 ) 。 1 0 南京航空航天大学硕士学位论文 2 1 4 三维视频显微镜 图2 3 热电势信号采集卡( m ，s b 6 2 l x ) 通过三维视频显微镜h i r o xk h - 7 7 0 0 ，如图2 4 所示，对磨损不同时期的刀具进行测绘，该 显微镜不仅可以显示二维微观形貌，还可以显示三维微观形貌。 图2 4 三维视频显微镜h i r o xk h 7 7 0 0 2 1 5 切削参数设置 在刀具磨损试验中，通过改变切削参数，获得不同切削条件下刀具的磨损情况，使用视频显 微镜3 d 成像技术，获得刀具的三维形貌，测绘前刀面形状。具体切削参数设置见下表2 3 所示。 置氢钛合金t g 4 高速切削刀具磨损有限元仿真分析 表2 3 切削参数 切削条件参数取值 2 2 刀具磨损试验分析 在切削过