钛合金高速切削仿真研究毕业设计论文.doc

毕 业 论 文（设 计）钛合金高速切削仿真研究High speed cutting of titanium alloy simulation research矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。聞創沟燴鐺險爱氇谴净。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。作者签名： 日 期： 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。酽锕极額閉镇桧猪訣锥。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日注 意 事 项1.设计（论文）的内容包括：1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）2）原创性声明3）中文摘要（300字左右）、关键词4）外文摘要、关键词 5）目次页（附件不统一编入）6）论文主体部分：引言（或绪论）、正文、结论7）参考文献8）致谢9）附录（对论文支持必要时）2.论文字数要求：理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。3.附件包括：任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。4.文字、图表要求：1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画厦礴恳蹒骈時盡继價骚。3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印4）图表应绘制于无格子的页面上5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档5.装订顺序1）设计（论文）2）附件：按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订指导教师评阅书指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）指导教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日评阅教师评阅书评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格建议成绩： 优 良 中 及格 不及格（在所选等级前的内画“”）评阅教师： （签名） 单位： （盖章）年 月 日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？ 优 良 中 及格 不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？ 优 良 中 及格 不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？ 优 良 中 及格 不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格评定成绩： 优 良 中 及格 不及格教研室主任（或答辩小组组长）： （签名）年 月 日教学系意见：系主任： （签名）年 月 日烟台大学毕业论文（设计）任务书院（系）：机电汽车工程学院姓名学号毕业届别专业车辆工程毕业论文（设计）题目基于DEFORM-3D的钛合金高速切削仿真研究指导教师学历博士职称讲师所学专业机械设计制造及其自动化具体要求(主要内容、基本要求、主要参考资料等)：主要进行几何与材料建模，进行动态仿真，分析不同因素对切削温度和切削力的影响及切削温度随切削过程的进行的变化。要求采用DEFORM-3D有限元分析软件进行三维动态切削仿真，采用单变量分析方法分析仿真结果。主要参考DEFORM5.03金属成形有限元分析实力指导教程（李传民、王向丽、闫华军等编著）进度安排：开学第一个月，进行基础知识搜集学习；第二个月，进行建模仿真，分析仿真结果；第三个月，书写毕业论文。指导教师（签字）：年 月 日院（系）意见：教学院长（主任）（签字）： 年 月 日备注：摘要高速切削加工技术是先进制造业的重要基础，同时也是先进制造技术重要研究方向之一，随着钛合金在各行业的应用越来越广泛，对钛合金高速切削技术的需求越来越急迫。在钛合金高速切削过程中，切削热和切削力是影响提高钛合金切削速度主要原因。它们直接影响了切削刀具磨损量和钛合金工件的变形情况,对切削刀具的选择以及钛合金切削过程起到至关重要的影响。茕桢广鳓鯡选块网羈泪。本文以钛合金Ti-6Al-4V为主要研究对象，并借助于有限元分析软件DEFORM-3D，对高速切削钛合金过程进行了三维动态仿真，并对切削过程中切削力和切削温度的变化规律进行了详细的分析。首先是根据钛合金高速切削特点建立几何模型和材料模型，本文选用国内钛合金加工常用刀具材料硬质合金Carbide(Cobalt15%)和Ti-6Al-4V工件材料。其次是切削参数的设定以及刀具和工件的网格划分。接下来通过多次变换参数进行动态仿真，最后运用单变量分析法对仿真结果进行详细分析绘制钛合金高速切削过程中温度和切削力的变化规律图。通过对钛合金高速切削过程仿真结果的分析，对提高钛合金切削速度以及刀具材料的选择具有重要的意义。鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。关键词：钛合金 高速切削 切削温度 切削力 有限元分析ABSTRACTHigh speed machining technology is important basis of advanced manufacturing , and it is one of the most important orientation of advanced manufacturing technology at the same time . With the widespread use of titanium alloys in various industries , the need of high speed cutting technology to titanium alloys is becoming more and more urgent . During the process of high speed cutting , cutting force and cutting heat are important reasons impacting improving the cutting speed of titanium alloys . They directly impact the wearing of cutting tools and the deformation condition of titanium alloy workpieces . Whats more , they are also of vital importance to the choosing of cutting tools and the process of titanium alloy cutting .籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。Titanium alloy Ti-6Al-4V is the main research object in this text , and it carried out the process high speed cutting of titanium alloy for 3d dynamic simulation by the finite element software DEFORM-3D , directly analysing the chang rule of the cutting force and cutting heat during the process . First of all , build up the model of geometry and materials according to the feature of titanium alloy high speed cutting . It choose the common tool material Carbide(Cobalt15%) and workpiece material Ti-6Al-4V . Secondly , set cutting parameter and divide the mesh of the cutting tool and workpiece . Then , change the parameter many times . Analyse detailedly and draw the charts of cutting force and cutting heat changing rule during the cutting process at last . It has the vital significance in improving the cutting speed of titanium alloy and choosing tool materials by analysing the result of the simulation .預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。Key words : Titanium , High speed cutting , Cutting heat , Cutting force , Finite element analysis渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。目 录第一章 绪 论1铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。1.1 本课题研究的意义和背景1擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。1.2 钛合金的特性及加工特点1贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。1.2.1 钛合金的材料特性1坛摶乡囂忏蒌鍥铃氈淚。1.2.2 钛合金的切削加工特点2蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。1.3 钛合金高速切削技术的发展现状3買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。第二章DEFORM-3D软件的介绍与切削模型的建立4綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。2.1 DEFORM软件的介绍4驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。2.1.1 适用范围及对象4猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。2.1.2 DEFORM-3D的特点5锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。2.1.3 DEFORM功能模块6構氽頑黉碩饨荠龈话骛。2.2 DEFORM-3D有关功能模块在本课题研究中的应用6輒峄陽檉簖疖網儂號泶。2.3 基于DEFORM-3D切削模型的建立7尧侧閆繭絳闕绚勵蜆贅。2.3.1 DEFORM-3D中应用加工向导模块进行车削仿真的基本步骤7识饒鎂錕缢灩筧嚌俨淒。2.3.2 几何模型的建立8凍鈹鋨劳臘锴痫婦胫籴。2.3.3 材料模型的建立9恥諤銪灭萦欢煬鞏鹜錦。2.3.4 网格划分9鯊腎鑰诎褳鉀沩懼統庫。2.3.5 刀屑分离准则10硕癘鄴颃诌攆檸攜驤蔹。2.3.6 刀具磨损模型11阌擻輳嬪諫迁择楨秘騖。第三章 仿真结果分析11氬嚕躑竄贸恳彈瀘颔澩。3.1 概述11釷鹆資贏車贖孙滅獅赘。3.2 切削仿真结果12怂阐譜鯪迳導嘯畫長凉。3.3 仿真过程中的切削力12谚辞調担鈧谄动禪泻類。3.3.1 切削速度对切削力的影响15嘰觐詿缧铴嗫偽純铪锩。3.3.2 切削深度和进给量对切削力的影响16熒绐譏钲鏌觶鷹緇機库。3.4 仿真过程中的切削温度17鶼渍螻偉阅劍鲰腎邏蘞。3.4.1 不同变量对切削温度的影响17纣忧蔣氳頑莶驅藥悯骛。第四章 总结与展望19颖刍莖蛺饽亿顿裊赔泷。4.1 总结19濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。4.2 展望未来19銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。致 谢21挤貼綬电麥结鈺贖哓类。参考文献22赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。烟台大学毕业论文(设计) 第一章 绪 论1.1 本课题研究的意义和背景 钛合金由于其优良的特性，在航空、航天、医疗、兵器、电子、化工等方面得到了越来越广泛的应用。此外，钛合金的成本相对钢铁、铝合金等较高，但其切削加工性较差，存在切削温度高、刀具磨损严重等系列问题，因此，钛合金的加工成本一般较其原材料成本高很多，也由此在一定程度上限制了其推广使用。塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。钛合金导热系数低、强度高、弹性模量小的特性导致其在切削加工过程中切削速度相对较低（目前生产中实际切削线速度为25-60m/min)、切削力不稳定、切削功率大，导致切削加工效率非常低。目前钛合金零件制造面临的主要问题是加工效率低、制造周期长、表面质量待提高。裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。高速切削加工技术是国际上先进制造业的发展趋势，展开对钛合金等难加工材料的高速切削研究，设法解决钛合金高速切削加工难题，对各行各业的飞速发展必定起到积极的作用。仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。另外，本课题选择的DEFORM-3D软件进行有限元仿真分析。在最近的国际范围复杂零件成形模拟招标演算中，DEFORM-3D的计算精度和结身可靠性，被国际成形模拟领域公认为第一。因此，它的分析结果要比其他的通用有限元分析软件更具有可信性。绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。1.2 钛合金的特性及加工特点 1.2.1 钛合金的材料特性钛合金的物理化学特性： 钛合金的类型：（1）相钛合金（用TA表示);(2)相钛合金（用TB表示）；（3）+相钛合金（用TC表示)。骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。 三种钛合金中+相钛合金最常用，而其中Ti-6Al-4V应用最普遍，占当今钛合金使用总量的一半以上。瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。1. 比强度高，密度小 常用+相钛合金的强度为=1010-1177MPa,密度=4.43g/cm3，比强度/=228-266。鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。2. 工作温度范围较宽 在-253还能保持良好的塑性。热稳定性好，在300-500下其强度比铝合金高10倍，工作温度可达500。栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。3.耐腐蚀性强 在大多数介质中，特别在中性、氧化性和海水中有很高的耐蚀性。此外，钛合金对各种浓度的铬酸和硝酸的稳定性高，在大多数无机盐、碱性溶液和有机酸中的耐蚀性也很高。但是，硫酸、氟酸和某些热浓有机酸对钛的腐蚀性大，另外钛的腐蚀是均匀进行的，不发生局部腐蚀和晶间腐蚀。辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。4.导热性差 钛的导热系数低，=15.24W/（mK）约为Ni的1/4；Fe的1/5-1/7；各种钛合金的导热系数更低，常温下Ti-6Al-4V的导热系数=5.44W/(mK)。峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。 5.化学活性较大钛的化学活性大，与大气中的O、N、H等产生强烈的化学反应。当C0.2%时，钛合金与C反应生成TiC；300就开始吸H，钛合金氢含量升高，形成一层脆化层；500以上钛合金开始强烈吸O，并形成硬度很高的硬化层；600时与氮作用，也会形成TiN硬质表层。詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。6.弹性模量小钛的弹性模量E=108GPa，而合金钢的弹性模量为206GPa，碳钢的弹性模量为196-206GPa。加工过程中在径向力作用下容易产生弯曲变形，限制长杆件的使用。则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。7.线性膨胀系数较低钛合金的线性膨胀系数约为镍合金的3/4，铝合金和不锈钢的1/2，镁合金的1/3。除此之外，钛合金还具有熔点高、摩擦系数大、常温回弹大、塑性低、比重轻等特性。 1.2.2 钛合金的切削加工特点 钛合金的硬度大于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化学、物理、力学性能间的综合作用对其切削加工性的影响。钛合金有如下切削特点：胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。 (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加大，加速刀具磨损。鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。 (2)切削温度高：由于钛合金的导热系数：=5.44W/(mK)，非常小，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45号钢时高出一倍以上。稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。 (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。陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。 (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。沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。 (5)刀具易磨损：毛坯经过冲压、锻造、热轧等方法后，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。钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。1.3 钛合金高速切削技术的发展现状 由于钛合会材料具有良好的耐腐蚀性能和突出的力学性能，在航空航天、化工、医疗等领域均有广泛的应用，但其也存在工艺性差，切削加工困难的特点。因此，关于钛合金的切削加工一直都是研究热点，学者们从不同角度对钛合金的切削加工作了研究：2002年，史兴宽等通过红外线测温和数值计算的方法，研究了钛合金TC4高速铣削时表面温度场的分布规律，发现高速铣削时，切削点与即将切削部位有很大的温度梯度。2003年，苌浩等128l研究了干切削和有氮气介质情况下影响TC4材料铣削力大小的几个因素，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。2005年，李德华等分别对钛合金切削的刀具材料选用和加工工艺方法进行了研究。2007年，沈中等研究了平均切削厚度下钛合金TC4的铣削机理，指出在保持合适的平均切削厚度不变的前提下选择其它切削参数，可以提高刀具耐用度和改善加工表面质量。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速度和切削深度下的加工表面残余应力分布作了分析。2008年，许鸿昊等从装央方式的角度研究了拉伸装央方式对钛合金TC4加工表面质量的影响。研究表明拉伸装央不影响加工表面粗糙度，但能提高已加工表面残余压应力和增大残余应力层厚度。2008年，杜随更等对不同铣削参数下钛合金TC4试样表面形貌和表层组织进行了研究，发现较高的主轴转速对提高铣削表面质量有益，而轴向切深对钛合金高速铣削工件表层微观甚微，同时发现铣刀端刃切削的工件表面，中心处表面质量比组织的影响边缘处表面质量好。懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。 第二章 DEFORM-3D软件的介绍与切削模型的建立2.1 DEFORM软件的介绍 20世纪70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了有限元软件ALPID，1990年在此基础上开发出DEFORM-2D软件。该软件的开发者独立出来成立SFTC公司，并推出了DEFORM-3D软件。DEFORM-3D是一套基于工艺模拟系统的有限元系统，专门设计用于分析各种金属成形过程中的三维流动，提供极有价值的工艺分析数据，及有关成形过程中的材料和温度流动，是模拟3D材料流动的理想工具。典型的DEFORM-3D应用包括锻造、切削、挤压、轧制、弯曲和其它成形加工手段。DEFORM-3D不仅鲁棒性好，而且容易使用，其强大的模拟引擎能够分析金属成形过程中的多个关联对象耦合作用的大变形和热特性。系统中集成了在任何时候能够自行触发自动网格重划的生成器，生成优化的网格系统。在要求精度较高的区域，可以划分较细密的网格，从而降低运算规模，并显著提高计算效率。此外，DEFORM-3D延续了DEFORM系统几十年来一贯秉乘的力保计算准确可靠的传统。DEFORM-3D的计算精度和结果可靠性，被国际成形模拟领域公认为第一。謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。 2.1.1 适用范围及对象 目前应用较为广泛的有限元软件有MSCNastran、MSCDytran、MSCMarc、ANSYS、ADINA、ABAQUS等软件。MSCNastran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：DEFORM、MSC著名结构分析程序软件，MSCDytran是动力学分析程序软件，MSCMarc是非线性分析软件，ANSYS是通用结构分析软件，ADINA和ABAQUS同样也是非线性分析软件。DEFORM是针对金属成形分析专用的有限元软件，是一套基于工艺模拟系统的有限元仿真(FEM)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。所以本文采用DEFORM软件来进行高速切削TC4钛合金的车削仿真。呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。DEFORM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。莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。DEFORM具有完善的IGES、STL、IDEAS、PATRAN、NASTRAN等CAD和CAE接口，方便用户导入模型。它提供了230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：NewtonRaphson、Direct INteration和Explicit，用户可根据不同工况、不同材料性能选择不同计算方法。DEFORM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。DEFORM使用并行求解可显著提高求解速度。利用DEFORM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加工模具和产品工艺流程，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。20世纪70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ALPID，20世纪90年代在这一基础上开发出DEFORM2D软件。该软件的开发者独立出来成立了SFTC公司，并推出了DEFORM软件。DEFORM-3D则可以对复杂的模具、等三维零件等进行虚拟样机实现。麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。DEFORM通过在计算机上模拟整个金属成形过程，帮助技术人员设计加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。納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。 2.1.2 DEFORM-3D的特点DEFORM-3D具有以下特点： DEFORM-3D是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，如材料流动、模具应力、金属微结构和缺陷产生发展情况等。DEFORM-3D处理的对象为复杂的三维零件、模具等，其模型来自CAD系统的面或实体造型(STLSLA)格式，并集成有设备成形模型。材料模型有弹性、刚塑性、热弹塑性、热刚粘塑性、粉末材料、刚性材料及自定义类型。实体之间或实体内部的热交换分析既可单独求解，也可以耦合在成形模拟过程中分析。前处理中自动生成边界条件，确保数据准备快速可靠；不需要人工干预，全自动网格划分；具有FLOWNET和点迹示踪、变形、云图、矢量图、力一行程曲线图等后处理功能；具有2D切片功能，可以显示工件或模具剖面结果。風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。 2.1.3 DEFORM功能模块成形过程仿真系统的建立，就是将塑性有限元理论、刚塑性成形工艺学，计算机图形处理技术等相关理论和技术进行有机结合的过程。DEFORM-3D软件的模块结构是由前处理器、求解器和后处理器三大模块组成。灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。(1)前处理器。前处理器包括三个子模块：数据输入模块，便于数据的交互式输入；网格的自动划分与自动再划分模块；数据传递模块，当网格重划分后，能够在新旧网格之间实现应力、应变、速度场、边界条件等数据的传递，从而保证计算的连续性。这三个模块主要完成以下功能：力学模型的建立与离散化以及初、边值条件的提法是前处理器的关键。DEFORM软件充分考虑到用户界面中交互方式的友好性，设计出便于用户理解仿真过程并能实时地监控仿真过程的前置处理器。材料模型的确定主要包括：按照既定的弹塑性、弹粘塑性、刚塑性、刚粘塑性模型输入相应的热、物性参数；根据用户提供的试验曲线及数据，软件系统自动进行拟合及转换成仿真所需的模型和参数。数据交换接口为用户提供与其它图形系统的数据和几何信息的交流途径，目前DEFORM-3D软件不具备实体造型能力，但它提供一些通用的CAD软件数据接口，如IGES、STL、UNV接口进行转换。铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。(2)求解器。真正的有限元分析过程是在求解器中完成的。DEFORM运行时，首先通过有限元离散化将平衡方程、本构关系和边界条件转化为非线性方程组，然后通过直接迭代法和NewtonRaphson法进行求解，求解的结果以二进制的形式进行保存，用户可以在后处理器中获取所需要的结果。攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。(3)后处理器。DEFORM软件的后处理器主要是对有限元计算产生的大量数据进行解释，用于显示计算结果，结果可以是图形形式，也可以是数字、文字混编的形式，获取的结果可为每一步有限元网格；等效应力、等效应变以及破坏程度的等高线和等色图；速度场；温度场；压力行程曲线等。此外用户还可以列点进行跟踪，对个别点的轨迹、应力、应变、破坏程度进行跟踪观察，并且根据需要抽取数据。趕輾雏纨颗锊讨跃满賺。2.2 DEFORM-3D有关功能模块在本课题研究中的应用本课题所用的DEFORM-3D功能模块为Machining模块。在主窗口界面右侧点击前处理Pre Processor中的Machjning选项，即可进入切削前处理界面。在前处理器中，需设置切削参数、工作温度和接触面属性；选择刀具和工件的材料、形状；进行网格的划分及设定模拟条件，并最后检查设定结果，最后生成后缀为DB的文件，则前处理阶段完成。完成切削模型前处理过程后，用鼠标左键点击文件目录菜单下的DB文件，接着点击DEFORM主窗口右侧Simulator标题下的run选项，则可开始切削过程的模拟。在主窗口的Message和Log标签下可以查看运行过程中每一步时间起止、节点、接触等状况。运算时以Step的形式保存数据，并存到生成的DB文件内。在模拟过程中，不仅可以随时中断和结束模拟，还可以进入后处理器观察模拟效果。在模拟正常结束后，选择生成的DB文件，单击主窗口左侧的Post Processor栏下的DEFORM-3D Post选项，出现后处理窗口。在后处理窗口中，可以观察整个动态模拟过程，每一步下刀具或工件的状态及进行其它一些分析。夹覡闾辁駁档驀迁锬減。2.3 基于DEFORM-3D切削模型的建立 有限元模型的建立就是将被研究对象的几何外形、材料特性和研究对象内部以及周围环境之问的相互作用有机结合的过程。为了有效地运用有限元方法模拟金属切削过程，更好地揭示切削机理，在切削模型的建立过程中，需考虑以下关键问题：视絀镘鸸鲚鐘脑钧欖粝。工件材料的流动应力模型；有限元网格的划分；切屑分类准则；磨损模型等。此外，正确的简化模型不仅可以提高计算结果的精度，并且可以大大的减少计算的时间。故本文作如下假设：偽澀锟攢鴛擋緬铹鈞錠。 在切削过程中，机床、刀具及工件组成的工艺系统的变形将影响切削的参数。如果考虑这些因素的影响将使问题复杂化，不利于求解。因此假定机床、夹具是刚性体。加工周围的环境温度对切削温度的分布有影响，为了方便起见，假定环境温度始终是20。緦徑铫膾龋轿级镗挢廟。 2.3.1 DEFORM-3D中应用加工向导模块进行车削仿真的基本步骤DEFORM为了方便应用，提供了成型分析、加工分析(包括切削和钻削)等向导，用户只需按向导进行相关设置，生成数据库之后即可对模型求解。也可进入前处理进騅憑钶銘侥张礫阵轸蔼。行更详细的设置，如网格密度框。利用加工向导进行的设置主要步骤有：(1)进入DEORM-3D主界面。(2)进入切削加工前处理界面，如右图2-1所示(3)选择Machining选项进入，根据实际情况选择加工条件、刀具参数、工件参数等，直到最后生成DB文件，从而生成模型。生成模型的步骤可以利用加工向导逐步进行，如图2-2 所示。在本仿真中切削条件的可根据经验进行设置(图2-3)。最终生成图2-4所示的仿真模型。疠骐錾农剎貯狱颢幗騮。(4)计算机进行模拟运算。 (5)进入后处理界面对刀具和工件进行分析。 （6）最后，统计相关数据，绘制变化规律表等， 图2-1 切削加工前处理界面 分析相关原因。 图2-2 加工向导图2-3 条件设定界面 2.3.2 几何模型的建立几何建模就是要生成刀具及工件的几何模型，为有限元网格的划分和材料属性的定义提供载体。本文为了确保数据的准确性所采用的刀具及工件几何模型皆为DEFORM一3D所提供。图2-4为钛合金切削的三维有限元模型示意图。镞锊过润启婭澗骆讕瀘。 2-4钛合金切削的三维有限元模型示意图 2.3.3 材料模型的建立材料模型的建立，就是要获得材料的应力一应变曲线关系(本构关系)，以定义材料在载荷作用下的响应行为。在本研究中，假定刀具材料为刚性材料，因其强度、榿贰轲誊壟该槛鲻垲赛。硬度远远高于工件材料，所以在切削过程中产生的应变非常小，分析时只考虑其摩擦、热传导等影响。而工件的弹性变形部分远小于塑性变形部分，因而可以忽略弹性变形，因此，将材料模型简化为塑性模型。本研究所采用的刀具材料为Carbide(Cobalt15%)的硬质合会刀片，工件材料为钛合金Ti-6Al-4V(即TC4)。工件和刀具材料性能参数如表2-5所示在本研究中未采用本构关系表达方程来描述应力、应变及应变速率之间的关系，而是采用DEFORM-3D材料库中所提供的数据，其优点在于数据可靠。确保模拟边界条件与实际情况吻合。邁茑赚陉宾呗擷鹪讼凑。表2-5工件及刀具材料物理性能参数 性能 材料 杨氏模量（GP）泊松比热传导率 （N/sec/)热容（N/mm2 /) Ti-6Al-4V不考虑0.31随温度变化Carbide(Cobalt15%)5240.23590.02 2.3.4 网格划分 不同的单元形状对计算的结果和精度有很大的影响，应该根据所处理问题的实际情况选择不同的单元类型。在三维金属成形模拟有限元软件分析中，常用到的单元主要有八节点六面体单元和混和四面体单元。其中，八节点六面体单元适用于变形分析和热传导分析，但进行网格划分比较麻烦；混和四面体单元的几何特性是线性的，其网格划分相对较容易。Deform-3D采用的是经过特殊处理的四面体单元。通常情况下网格数量由给定的实体表面所划分的单元数目和网格密度控制参数两方面来决定。对于给定大小工件(或刀具)，网格密度增大，可以提高几何模型的分辨率，并提高应力、温度和应变等场变量的计算精度。然而，一般来讲网格密度增大计算求解所需要的时间也就延长。因此，因根据实际情况，在一些场变量变化梯度较大的区域，划分较为致密的网格，而变形较小或各场量变化梯度较小的区域划分较为稀疏的网格。此外，根据接触条件，柔体相对于刚体应用更致密的网格。嵝硖贪塒廩袞悯倉華糲。 根据上述网格划分原则，本文对工件和刀具进行了网格划分，如图2-6和图2-7所示。其中工件划分的网格数为40000，而刀具网格的划分相对稀疏，为25000。 图2-6 工件网格划分 图2-7 刀具网格划分 2.3.5 刀屑分离准则 与一般的金属塑性成形不同的是，切削加工是一个使被加工材料不断产生分离的过程。一个分离准则只有真实地反应切削加工材料的力学和物理性质，才能得到合理的结果，例如切屑几何形状、切削力、温度和残余应力等。另外，一个好的分离准则在切削材料确定后，不应随着切削条件的变化而变化。到目前为止，在有限元模拟中已经提出各种切屑分离标准，这些准则可以分为两种类型：几何准则和物理准则。几何准则主要通过变形体的几何尺寸变化来判断分离与否。而物理准则主要是基于制定的一些物理量的值是否达到了临界值而设定的。DEFORM-3D所提供的的分离准则有以下三个： (1)缺省准则当接触节点的拉应力或压应力大于O1 MPa时，节点分离。 (2)流动应力准则当接触节点的拉应力大于工件流动应力的预设百分比时，节点分离。 (3)绝对压力准则当接触节点的压应力大于预设值时，节点分离。 在本文中，采用的是系统默认的缺省准则，如需应用其他分离准则，可在DEFORM-3D 的PreInterobject中设定。 2.3.6 刀具磨损模型 DEFOMR一3D中，有两种可用的磨损模型：Archard模型和Usui模型。Archard模型通常适用于不连续加工，如冷(热)锻等。而Usui模型在连续加工(如切削)方面有更好的表现。故本文采用Usui磨损模型对刀具的磨损进行预测。Usui磨损模型由Usui等在1978年建立。通过切削试验，Usui确定了硬质合金刀具切削碳钢时粘接磨损模型的常数。通过将能量法、实验法和有限差分法相结合，并对刀一屑接触条件进行简化和假设，Usui对前刀面的月牙沣磨损进行了预测。除了在最深处的位置有些偏差，预测的深度和轮廓与试验结果相符。此方法的不足之处在于不能对切削刃经过处理的刀具(如刀刃钝圆和磨损的刀具)进行预测。Kitagawa在1989年对Usui公式进行常数修正后，发现该特征公式也适用于描述后刀面的磨损情况。通过对后刀面的磨损进行预测，其结果与试验结果相符。Usui粘接磨损特征公式表明，磨损率取决于刀面温度、刀屑和刀工界面上的正压力以及相对滑动速度，即该栎谖碼戆沖巋鳧薩锭。 （2-1）式中，为工件材料相对于刀具的滑动速度；为正压力；T为刀面绝对温度；C与为特征常数，由试验刀具与工件材料的不同组合，依赖于切削温度而确定的。在本文中，根据经验值取=O.0000001，=855。第三章 仿真结果分析3.1 概述 材料的切削性能是多方面的，相应地其评价指标也有很多种。在众多指标中，切削力、切削温度是反映材料切削性能的主要指标，在科研生产中也是最为常用的，特别是在钛合金的切削中，这几个指标尤为重要。同时这几个指标中最为重要的是切削力。在切削过程中