鈦合金高速銑削過程建模.pdf

1、鈦合金具有密度小、比強度高、耐腐蝕和耐高溫等優(yōu)點,被廣泛用于航空、航天等重要領域,但它同時也是一種典型的難加工金屬材料。銑削是鈦合金機械加工最廣泛使用的加工方法,高速銑削具有很高的加工效率,可獲得較高的加工精度,也能降低切削熱對加工表面的影響。目前基于有限元分析方法的鈦合金切削研究多為理想狀態(tài)的正交切削模型,而缺乏比較準確的銑削有限元模型。
　　論文以自然科學基金“熱-力-相變”耦合機理的精密切削表面殘余應力建模(No.51175

2、331)為依托,以探索鈦合金 Ti6Al4V高速銑削機理為研究目標,建立基于ABAQUS軟件的更準確的鈦合金高速銑削有限元模型,仿真預測銑削過程中銑削力、銑削溫度、銑屑形態(tài)和銑削工件表面的殘余應力分布。采用高速銑削鈦合金實驗,通過對比測銑削力、銑屑形態(tài)和殘余應力三個方面的實驗數(shù)據(jù)與模型預測結果,對鈦合金銑削有限元模型進行驗證。論文主要研究內(nèi)容和結論如下:
　　首先,基于ABAQUS有限元軟件建立了鈦合金 Ti6Al4V高速銑削二維

3、有限元模型,整個模型包含兩個子模型:1)銑屑形成過程子模型,在ABAQUS/Explicit顯式計算中模擬刀齒銑削工件的過程,計算銑削力,銑削溫度,形成銑屑和已加工表面;2)銑削表面殘余應力子模型,將銑削過程子模型模擬完成后得到的已加工工件,導入到ABAQUS/Standard隱式計算中冷卻到室溫25℃釋放熱應力,并通過后處理得到沿已加工工件表面的殘余應力分布。整個模型模擬預測了未變形銑屑厚度對銑屑形態(tài)、銑削力和銑削表面殘余應力的影響。

4、隨著未變形銑屑厚度由厚變薄,銑屑將會由劇烈的鋸齒狀轉變?yōu)檫B續(xù)形,連續(xù)波動的銑削力也會逐漸從峰值降低至零,銑削表面殘余應力的影響層深度不斷減小。
　　基于該模型系統(tǒng)地分析了銑削轉速和進給量、刀具前角、刀尖圓角半徑對銑削過程中銑屑形態(tài)和銑削力的影響。刀具轉速與進給量在600rpm,10mm/s到2400rpm,40mm/s的范圍內(nèi)增大,將導致銑屑鋸齒數(shù)目顯著增多,最大切向力與最大切深抗力減小,工件和銑屑最高銑削溫度增大;刀具前角在5°

5、到15°的范圍內(nèi)增大將導致銑屑卷曲程度的增大,平均切深抗力與平均切向力減小,并且平均切深抗力的減小程度要大于平均切向力,工件和銑屑最高銑削溫度減小;刀尖圓角半徑在5μm到25μm的范圍內(nèi)的增大對銑屑形態(tài)的影響較小,但是最大切向力、平均切向力與平均切深抗力表現(xiàn)出比較明顯的增大趨勢,對工件和銑屑最高銑削溫度影響不大。
　　然后,在數(shù)控銑床進行了高速銑削鈦合金的驗證性試驗,從銑削力、銑屑形態(tài)和工件表面殘余應力三個方面對比分析了試驗測得數(shù)

6、據(jù)與有限元預測結果,驗證了所建立的高速銑削有限元模型的準確性。對比結果表明:模型預測銑削力誤差不超過17.0％;模型預測銑屑形態(tài)度量參數(shù)的誤差不超過17.8%;模型預測表面殘余應力的誤差不超過21.4%。
　　最后,在已驗證模型的基礎上建立順次銑削有限元模型,模擬了兩個刀齒順次銑削過程對銑削表面殘余應力的影響,更加準確地預測表面殘余應力分布。同時基于Python語言編寫 ABAQUS腳本程序實現(xiàn)鈦合金高速銑削有限元模型的快速建模與