機(jī)械設(shè)計(jì)畢業(yè)論文ti6al4v切削過程有限元分析

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　Ti6Al4V切削過程有限元分析</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動

2、化 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘要</b></p&g

3、t;<p>　　在金屬切削加工中，對切削過程的研究有著重要的意義。切削溫度、切削力以及刀具的磨損是反映切削過程的主要指標(biāo)和因素。其中切削力使用范圍最廣，在切削過程中，它直接決定著切削熱的產(chǎn)生，并影響工件加工精度以及己加工表面的質(zhì)量，刀具破損、磨損和其使用壽命等。先前的切削研究，一般是從切削試驗(yàn)和切削理論兩個(gè)方面來進(jìn)行。由于影響切削力的實(shí)際因素眾多，切削過程十分復(fù)雜，給建立切削力的理論模型帶來很大的難度。所以一直以來，眾多學(xué)

4、者專家對切削力的預(yù)報(bào)作了大量的理論研究工作，期望從理論上獲得切削力的計(jì)算公式。生產(chǎn)中比較常用的方法是利用正交試驗(yàn)獲得切削力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過回歸分析得出經(jīng)驗(yàn)公式，但當(dāng)加工條件變化較大時(shí)，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)際相差很大，通用性不強(qiáng)。</p><p>　　在改進(jìn)切削刀具的設(shè)計(jì)和優(yōu)化切削參數(shù)方面，切削過程的建模和仿真具有有很大的發(fā)展?jié)摿?，其中有限元法逐漸成為切削過程的研究和仿真的一種有效手段。本文的主要目的就是

5、建立一個(gè)鈦合金切削過程仿真的有限元模型，預(yù)報(bào)刀具應(yīng)力、切削力和切削溫度。在預(yù)先收集工件流動應(yīng)力數(shù)據(jù)和在高應(yīng)變率、高溫下的摩擦系數(shù)的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件DEFORM仿真切削過程。</p><p>　　論文的研究結(jié)果表明，金屬切削仿真能夠?qū)η邢鬟^程的各主要物理要素進(jìn)行理論預(yù)報(bào)，可以為新材料切削加工性能研究和新工藝機(jī)理研究提供可行或可能的方法，對高效、低耗地進(jìn)行金屬切削研究具有重要意義。</p><

6、;p>　　關(guān)鍵詞:鈦合金；金屬切削；有限元法；切削仿真</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　In the field of metal cutting, it has an important significance to the investigation of the cutting process. cutting

7、temperatures,Cutting forces and tool wear are the major indexes and factors reflecting cutting process. Especially, cutting forces are widely used. In the cutting process, it directly decides generation of heat and plays

8、 a serious role in tool wear and life, precision of work piece, quality of the cut surface and etc. The conventional study begins with the experiments of metal cut</p><p>　　Modeling and simulation of cutting

9、 processes have the potential for improving cutting tool designs and selecting optimum conditions. Finite element method is becoming one of effective method to research and simulate the cutting processes. The main object

10、ive of this study was to develop a FEA model for simulating the cutting process in turning and tool streeses，predict cutting forces and temperatures using finite element analysis. Using FEA software Deform, previously de

11、veloped flow stress data o</p><p>　　The results indicate that simulation of metal cutting process can predict the main physical phenomena in machining and provide a feasible way to study new materials and ne

12、w technics. It has a special significance to the manufacture of matel with high efficient and low cost.</p><p>　　Key Words: Titanium alloys；Metal Cutting；Finite Element Method；Cutting simulation</p>&

13、lt;p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1背景及意義1</p><p>　　1.2

14、 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.1 金屬切削實(shí)驗(yàn)研究方法現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2.2 有限元仿真方法研究現(xiàn)狀3</p><p>　　1.2.3 鈦合金切削加工研究現(xiàn)狀4</p><p>　　1.3 本文主要研究內(nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問題4</p><p>　　第二章 有限元分析方法的發(fā)

15、展及應(yīng)用5</p><p>　　2.1有限元法的概述5</p><p>　　2.2 有限元法的發(fā)展6</p><p>　　2.3有限元法的應(yīng)用6</p><p>　　2.3.1 有限元法在金屬切削加工過程中的應(yīng)用6</p><p>　　2.3.2 有限元法在機(jī)電工程上的應(yīng)用6</p><

16、p>　　2.3.3 有限元法在汽車產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用7</p><p>　　2.4 有限元軟件的介紹7</p><p>　　2.4.1 DEFORM-3D有限元軟件概述8</p><p>　　2.4.2 DEFORM-3D的特點(diǎn)8</p><p>　　2.4.3 DEFORM-3D的主界面8</p><p&g

17、t;　　2.4.4 DEFORM-3D的模塊結(jié)構(gòu)9</p><p>　　2.5 DEFORM-3D有關(guān)功能模塊在本課題研究中的應(yīng)用10</p><p>　　第三章 鈦合金的性質(zhì)和力學(xué)性能分析12</p><p>　　3.1 鈦合金的性質(zhì)12</p><p>　　3.2 鈦合金Ti6Al4V力學(xué)性能分析13</p>&l

18、t;p>　　3.2.1 鈦合金Ti6Al4V基本物理屬性13</p><p>　　3.2.2 鈦合金Ti6Al4V的靜態(tài)力學(xué)性能13</p><p>　　3.2.3 鈦合金Ti6Al4V的動態(tài)力學(xué)性能14</p><p>　　第四章 基于DEFORM-3D的Ti6Al4V切削模型的建立16</p><p>　　4.1 幾何及材料

19、模型的建立16</p><p>　　4.1.1 幾何模型的建立16</p><p>　　4.1.2 材料模型的建立17</p><p>　　4.2 有限元網(wǎng)格的劃分17</p><p>　　4.3刀屑分離準(zhǔn)則18</p><p>　　4.4建立摩擦模型18</p><p>　　4.5

20、 刀具磨損模型的建立19</p><p>　　4.6 熱力耦合分析技術(shù)及傳熱邊界條件20</p><p>　　第五章 Ti6Al4V切削模型計(jì)算結(jié)果及分析22</p><p>　　5.1 Ti6Al4V切削過程的模擬結(jié)果22</p><p>　　5.1.1 Ti6Al4V切削的形成過程22</p><p>　

21、　5.1.2 切削力的提取23</p><p>　　5.1.3 切削應(yīng)力的分布24</p><p>　　5.1.4 切削應(yīng)變的分布25</p><p>　　5.1.5切削溫度場的分布26</p><p>　　5.1.6 刀具刀面的磨損分布26</p><p>　　5.2 各切削參數(shù)對切削力的影響27<

22、/p><p>　　5.2.1 切削速度對切削力的影晌27</p><p>　　5.2.2 進(jìn)給量對切削力的影響28</p><p>　　5.2.3 切削深度對切削力的影響28</p><p>　　5.3 各切削參數(shù)對切削溫度的影響28</p><p>　　5.3.1 切削速度對切削溫度的影響28</p>

23、;<p>　　5.3.2 進(jìn)給量對切削溫度的影響29</p><p>　　5.3.3 切削深度對切削溫度的影響30</p><p><b>　　結(jié)論與展望31</b></p><p><b>　　致謝32</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b

24、></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1背景及意義</b></p><p>　　近年來，隨著我國國民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，鈦及鈦合金材料逐漸應(yīng)用到了民用領(lǐng)域。由鈦及鈦合金環(huán)、絲、帶、管、餅、箔、板等加工材料和多種鈦產(chǎn)品，在體育、醫(yī)療、洗衣機(jī)、手表、眼

25、鏡等日常用品領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，受到民眾的青睞，未來的市場十分巨大。</p><p>　　目前，世界上能進(jìn)行鈦開發(fā)和生產(chǎn)的國家只有俄羅斯、美國、中國、日本和歐洲的一部分國家，而我國鈦儲量是最大的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國已發(fā)現(xiàn)擁有8.7億噸的鈦資源儲量，占了世界已發(fā)現(xiàn)鈦總儲量的60%。因此，對于我國發(fā)展鈦材制品是非常有利的。尤其是近10年來，我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們對物質(zhì)消費(fèi)的需求越來越高，鈦及鈦合金開始由國防軍工、航空、航天

26、領(lǐng)域逐步進(jìn)入到民用消費(fèi)領(lǐng)域。像比如鈦手表、鈦鏡架、鈦?zhàn)孕熊囈约扳伕郀柗蚯驐U等產(chǎn)品，對鈦的需求量在逐漸的增大。有資料表明，光光制作高爾夫球桿和球頭所使用的鈦就超過了1000噸。另外，在建筑領(lǐng)域鈦材和鈦合金產(chǎn)品的需求也在逐漸增大。比如在我國建筑領(lǐng)域首次應(yīng)用鈦材的國家大劇院，其屋頂用的是鈦不銹鋼復(fù)合板，覆蓋了大約30000平方米，這在我國的建筑領(lǐng)域還是頭一回，因而肯定會帶動我國建筑市場上鈦材的應(yīng)用。因?yàn)槊裼妙I(lǐng)域?qū)︹伒男枨笠苍谥鹉暝鲩L，由此使我

27、國鈦工業(yè)得到較快發(fā)展[1]。1954年，美國研制成功了第一個(gè)實(shí)用的鈦合金Ti-6Al-4V，由于它的強(qiáng)度、塑性、韌性、可焊性、成形性、耐蝕性、耐熱性和生物相容性均比較好，因而成為鈦合金工業(yè)中的王牌合金，該合金使用量已占全部鈦合金的7</p><p>　　鈦合金產(chǎn)品具有優(yōu)異的使用性能，然而鈦合金材料也屬于典型的難切削材料。其硬度大于HB350時(shí)切削特別困難，小于HB300時(shí)則容易出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象。在加工過程中，具有切削

28、溫度高，變形系數(shù)小，冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重，單位面積上的切削力大，刀具易磨損等切削特性。所以研究鈦合金的切削加工工藝，對提高切削效率，延長刀具壽命和提高加工精度具有實(shí)際意義。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　鈦合金因具有耐熱性高、耐蝕性好、比強(qiáng)度高等優(yōu)異的綜合力學(xué)性能而被廣泛用于航空、航天、石油、化工、船舶、兵器、電子等行業(yè)[2]。15年前國外高度重視新型鈦合金的研制

29、,近些年國外更重視鈦合金性能的挖潛和改變。我國從鈦合金研發(fā)開始一直重視新型鈦合金的研制,10年前重點(diǎn)是仿制,之后便是既創(chuàng)新又仿制,目前以創(chuàng)新研制為主。然而鈦合金也存在著切削加工困難，工藝性差的特點(diǎn)。當(dāng)硬度大于HB350時(shí)切削加工特別困難，小于HB300時(shí)則容易出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象，也難于切削。但鈦合金的硬度只是難于切削加工的一個(gè)方面，關(guān)鍵在于鈦合金本身物理、化學(xué)、力學(xué)性能間的綜合對其切削加工性的影響。鈦合金切削加工有如下困難特點(diǎn)：</p&

30、gt;<p>　　(1)冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重：鈦的化學(xué)活性大，在高的切削溫度下，很容易吸收空氣中的氮和氧形成硬而脆的外皮，同時(shí)切削過程中的塑性變形也會造成表面硬化[3]。冷硬現(xiàn)象不僅會加劇刀具磨損而且還會降低零件的疲勞強(qiáng)度，是切削鈦合金時(shí)的一個(gè)很重要難點(diǎn)。</p><p>　　(2)單位面積上的切削力大：切屑時(shí)與前刀面的接觸長度很短，單位接觸面積上的切削力大大增大，易造成崩刃。在加工時(shí)，因?yàn)殁伜辖鸬膹椥阅Ａ?/p>

31、小，在徑向力作用下容易產(chǎn)生彎曲變形，引起振動，加大刀具磨損并影響零件的精度。因此，要求工藝系統(tǒng)要具有很好的剛性。</p><p>　　(3)刀具易磨損：毛坯經(jīng)過沖壓、鍛造、熱軋等方法加工后，形成硬而脆的不均勻外皮，極易造成崩刃現(xiàn)象，使得切除硬皮成為鈦合金加工中最困難的工序。此外，在單位面積上切削力大和切削溫度高的條件下，由于鈦合金對刀具材料高強(qiáng)的化學(xué)親和性，刀具很容易產(chǎn)生粘結(jié)磨損。車削鈦合金時(shí)，有時(shí)前刀面的磨損甚

32、至比后刀面更為嚴(yán)重。當(dāng)f>0.2 mm/r時(shí)，前刀面將出現(xiàn)磨損；當(dāng)進(jìn)給量f<0.1 mm/r時(shí)，磨損主要發(fā)生在后刀面上；用硬質(zhì)合金刀具精車和半精車時(shí)，后刀面的磨損以VBmax<0.4mm較合適。</p><p>　　(4)變形系數(shù)?。衡伜辖鹎邢骷庸さ娘@著特點(diǎn)。切屑時(shí)，前刀面上的滑動摩擦的路程大大增加，刀具磨損加速。</p><p>　　(5)切削溫度高：鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)很

33、小，切屑時(shí)與前刀面的接觸長度極短，不易傳出切削時(shí)產(chǎn)生的熱量，由此熱量就集中在切削刃和切削區(qū)附近的小范圍內(nèi)，造成切削溫度很高。</p><p>　　綜上所述，金屬的切削加工一直都是研究難點(diǎn)以及熱點(diǎn)，學(xué)者專家們從不同角度對鈦合金做了研究。</p><p>　　1.2.1 金屬切削實(shí)驗(yàn)研究方法現(xiàn)狀</p><p>　　實(shí)驗(yàn)研究方法，就是在金屬切削過程中人為地限制或創(chuàng)造某些

34、條件，在試驗(yàn)臺或機(jī)床上進(jìn)行切削試驗(yàn)，通過合適或必要的儀器設(shè)備對切削過程和結(jié)果進(jìn)行觀測和記錄，再對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析和總結(jié)，來探索金屬切削規(guī)律的研究方法[4]。實(shí)驗(yàn)研究方法一直以來都是最接近生產(chǎn)實(shí)際、最可靠，也是最重要的研究方法。</p><p>　　1、對切削力實(shí)驗(yàn)研究</p><p>　　一般對切削力的實(shí)驗(yàn)研究都是借助于測力儀進(jìn)行的。切削測力儀有電感和電容式、壓電式、應(yīng)變式和電流式。電感和

35、電容式測力儀因結(jié)構(gòu)復(fù)雜不適合測量多向切削分力，一般用于測量瞬時(shí)切削力，但目前已不常使用。</p><p>　　應(yīng)變式測力儀具有性能穩(wěn)定、適應(yīng)性廣、靈活性大、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，它是根據(jù)彈性元件上電阻應(yīng)變片的變形引起電阻值的變化來反映切削力大小的，但其動態(tài)特性和測量精度取決于彈性元件的結(jié)構(gòu)。提高應(yīng)變式測力儀動態(tài)特性和測量精度的關(guān)鍵是如何解決剛度和靈敏度之間的矛盾。卞化梅等在2008年采用YD-8型動態(tài)電阻應(yīng)變儀，研究了

36、進(jìn)給量和主軸轉(zhuǎn)速對切削力的影響，后來證明了每齒進(jìn)給量對切削力的影響比主軸轉(zhuǎn)速大。</p><p>　　2002年李亮等采用三向動態(tài)壓電測力儀，研究了銑削加工中切削深度對切削力的影響，研究結(jié)果表明每齒進(jìn)給量對切削力的影響很小，切削深度對切削力的影響很大[5]。</p><p>　　2、對切削熱和切削溫度的研究</p><p>　　在切削溫度和切削熱的研究中，最常采用的

37、方法是熱電偶法，其中包含人工熱電偶、半人工熱電偶和自然熱電偶。熱電偶測溫的基本原理是將兩種不同材料的導(dǎo)體或半導(dǎo)體焊接起來構(gòu)成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩導(dǎo)體間存在溫度差時(shí)就會在回路中產(chǎn)生一定大小的電流，通過這種熱電效應(yīng)來反映切削溫度的變化。2004年閻海鵬采用鋁合金LFS—康銅熱電偶測定了高速銑削鋁合金時(shí)銑削區(qū)的溫度，研究了切削溫度隨進(jìn)給量、切削速度、切削深度的變化規(guī)律[6]。2005年舒暢通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定出鈦合金TA15—康銅非標(biāo)準(zhǔn)熱偶的熱電特性，

38、并依此測定研究了不同切削條件下鈦合金TA15的切削溫度。這都屬于自然熱電偶法，因?yàn)樗麄兌际抢玫毒吆凸ぜg自然產(chǎn)生熱電勢的原理。</p><p>　　3、對刀具磨損和工件表面粗糙度的研究</p><p>　　刀具磨損的研究方法主要有直接測量和間接測量法。直接測量法主要有：接觸電阻法、光學(xué)法、放射法等。其中光學(xué)法就是通過掃描電鏡、工具顯微鏡等觀察儀器直接對刀具的前、后刀面的磨損情況進(jìn)行觀察和

39、研究。間接測量法主要有：刀具和工件測量法、切削力或者切削功率測量法、振動分析法、溫度測量法等。為了準(zhǔn)確直觀起見，一般在實(shí)驗(yàn)研究時(shí)都采用直接測量法，而間接測量法一般用在自動生產(chǎn)線上，這樣可以保證加工的連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)在線實(shí)時(shí)控制。2005年舒暢在研究高速銑削鈦合金的切削溫度與刀具磨損的關(guān)系時(shí)，采用了一種數(shù)碼攝影和體視顯微鏡結(jié)合，通過軟件對標(biāo)準(zhǔn)照片和切削刃磨損形貌照片進(jìn)行對應(yīng)像素點(diǎn)比較的方法[7]。2008年閻光明等在對0Cr15Ni7M02A

40、I不銹鋼的銑削加工中刀具磨損情況和刀具耐用度進(jìn)行研究時(shí)，采用了小型工具顯微鏡觀測了刀具的磨損形態(tài)，他們采用的都是直接測量法。</p><p>　　1.2.2 有限元仿真方法研究現(xiàn)狀</p><p>　　對于金屬切削過程的有限元仿真，以前的專家都作過深入的研究，現(xiàn)在眾多的學(xué)者仍在進(jìn)行著研究。 </p><p>　　早期的學(xué)者們，像Lee and shaffer，Pii

41、spanen，Merchant等人，建立了比較簡單的切削模型，這是由于當(dāng)時(shí)的理論和設(shè)備所限制的，由此會忽略一些重要因素。1950以后，w.B.Palmer、E.D.Doyle、K.J.Trigger等人開始將切削過程中的切削溫度、加工硬化、摩擦、高應(yīng)變率等更多的影響因素考慮進(jìn)切削模型中[8]，這樣實(shí)驗(yàn)測量值和仿真計(jì)算的結(jié)果將更為接近。</p><p>　　現(xiàn)在學(xué)者們建立的切削有限元模型主要有二維正交切削模型和三維

42、斜交切削模型。二維正交切削模型相比三維斜交切削模型來說建模較簡單，常用來研究車削加工過程。如1980年，為了研究切屑的切削力和幾何形狀，Lajczok建立了一個(gè)簡化的正交切削模型[9]；1982年，usui和Maekawa為預(yù)測工件中應(yīng)變、應(yīng)力和溫度的分布建立了一個(gè)穩(wěn)態(tài)的正交切削模型；1984年，Iwata等人建立了一個(gè)低應(yīng)變率、低切削速度下的穩(wěn)態(tài)正交切削模型[10]。</p><p>　　然而實(shí)際加工中多數(shù)情況

43、都屬于三維斜交切削，如銑削加工，甚至車削加工多數(shù)也是斜交加工。這樣一來三維有限元模型更接近切削加工的物理過程，更具有實(shí)際意義。專家們也在應(yīng)用三維有限元模型模擬的研究方面做了大量的工作。像1973年美國Illinois大學(xué)的B.E.Klameek最早研究了金屬切削加工中切屑形成的原理[11]，并用三維有限元模型分析了切屑形成的初始階段。Sasahara等人1995年在考慮了工件材料的幾何非線性條件下建立了金屬切削的三維有限元模型，探明了切

44、屑時(shí)工件中應(yīng)變和應(yīng)力的變化情況并且在加工前預(yù)測了切屑的流出方向。2007年，吳紅兵等利用三維斜角切削熱力耦合有限元模型對鈦合金Ti6Al4V的高速切削加工過程進(jìn)行了模擬，研究了不同切削深度和不同切削速度下的已加工表面殘余應(yīng)力分布。從以上研究可以看出，三維斜交切削模型對切屑的形成和流向的預(yù)測研究有很大的作用。</p><p>　　1.2.3 鈦合金切削加工研究現(xiàn)狀</p><p>　　鈦合金

45、材料具有優(yōu)異的耐腐蝕性能和突出的力學(xué)性能，因而在化工、航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，但其也存在著切削加工困難、工藝性差的特點(diǎn)。因此，關(guān)于鈦合金的切削加工一直都是研究難點(diǎn)和研究熱點(diǎn)，專家們從不同方面對鈦合金的切削加工作了研究。</p><p>　　2003年，獲浩等研究了有氮?dú)饨橘|(zhì)和干切削情況下影響TC4材料銑削力大小的幾個(gè)因素，以及兩種介質(zhì)條件下不同切削速度對后刀面磨損的影響，證實(shí)了以氮?dú)鉃榻橘|(zhì)可大大改善刀

46、具的磨損狀況，提高刀具壽命[12]。2005年，李德華、何秀梅等分別對鈦合金的加工工藝方法和切削刀具材料的選用進(jìn)行了研究。2007年，沈中等研究了平均切削厚度下鈦合金TC4的銑削機(jī)理[13]，指出要提高刀具耐用度和改善加工表面質(zhì)量要在保持合適的平均切削厚度不變的前提下選擇其它切削參數(shù)。2007年，吳紅兵等利用三維有限元模型，對TC4材料高速加工過程中不同切削深度和切削速度下的加工表面殘余應(yīng)力分布作了分析。2008年，許鴻昊等從裝夾方式的

47、角度研究了拉伸裝夾方式對鈦合金TC4加工表面質(zhì)量的影響。研究表明拉伸裝夾能提高已加工表面殘余壓應(yīng)力和增大殘余應(yīng)力層厚度，但不影響加工表面粗糙度。2008年，杜隨更等對不同銑削參數(shù)下鈦合金TC4表層組織和試樣表面形貌進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)軸向切深對鈦合金高速銑削工件表層影響不大，而提高主軸轉(zhuǎn)速也可以提高銑削表面質(zhì)量，而且也發(fā)現(xiàn)組織的影響邊緣處表面質(zhì)量比中心處表面質(zhì)量和銑刀端刃切削的工件表面質(zhì)量都要差[</p><p>　

48、　1.3 本文主要研究內(nèi)容及擬解決的關(guān)鍵問題</p><p>　　本文主要的研究目標(biāo)是基于Deform-3D有限元軟件平臺，建立Ti6Al4V切削過程有限元仿真模型，通過有限元仿真，研究鈦合金Ti6Al4V切削時(shí)的應(yīng)變、應(yīng)變率、應(yīng)力及切削溫度等分布；運(yùn)用有限元法，研究切削速度等切削參數(shù)對切削溫度、切削力的影響。在對鈦合金Ti6Al4V切削時(shí)的切削力、切削溫度等進(jìn)行研究的同時(shí)獲得鈦合金Ti6Al4V切削時(shí)的應(yīng)變、應(yīng)

49、變率、應(yīng)力及切削溫度的分布云圖。</p><p>　　第二章 有限元分析方法的發(fā)展及應(yīng)用</p><p>　　2.1有限元法的概述</p><p>　　有限元法的基本思想是將連續(xù)的求解域離散為一組或有限個(gè)區(qū)域，并按一定方式相互連接在一起的單元組成[15]。由于單元可以不同的形狀且能按不同的連接進(jìn)行方式組合，因此可以將幾何形狀復(fù)雜的求解域模型化，根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件綜合

50、求解。由于單元的節(jié)點(diǎn)和數(shù)目有限，所以稱之為有限元方法。</p><p>　　它有如下優(yōu)點(diǎn)：只要改變節(jié)點(diǎn)和單元的數(shù)目，就可以使解的精度改變，得到與真實(shí)情況無限接近的解，單元?jiǎng)澐值氖杳苤苯記Q定著計(jì)算結(jié)果的精確與否。在應(yīng)用有限元法分析問題時(shí)，首先采用“化整為零”的辦法，將連續(xù)體分解為有限個(gè)形態(tài)簡單的“單元”，分別分析這些單元，而后采用“積零為整”的方法，把每個(gè)單元重新組合為原來的連續(xù)體的簡化了的“模型”，通過求解這個(gè)模

51、型得到問題的基本未知量(比如位移)在若干離散點(diǎn)上的數(shù)值，最后根據(jù)得到的數(shù)值，再回到各個(gè)單元中計(jì)算其它物理量(像應(yīng)力、應(yīng)變)。</p><p>　　用另一種說法表述有限元法的基本思想也就是“一分一合”。分即是單元剖分，也就是為了進(jìn)行單元分析將某個(gè)工程結(jié)構(gòu)離散為由各個(gè)單元組成的計(jì)算模型。離散后的單元和單元之間利用節(jié)點(diǎn)相互連接起來，單元節(jié)點(diǎn)的性質(zhì)、設(shè)置、數(shù)目等應(yīng)該根據(jù)計(jì)算精度、描述變形形態(tài)、問題的性質(zhì)的需要而定(一般來

52、說，對變形情況描述越精確、劃分單元越細(xì)，就越接近實(shí)際變形，然而計(jì)算量也就越大)。合是為了對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行綜合分析，利用結(jié)構(gòu)的邊界約束條件、熱平衡條件和力平衡條件把各個(gè)單元按照原來的結(jié)構(gòu)重新連接起來，通過單元之間的紐帶—節(jié)點(diǎn)，完成過程變量的傳遞，最終形成整體的有限元方程[16]。有限元求解的整個(gè)工作流程可以用圖2.1表示。.</p><p>　　圖2.1 有限元分析流程圖</p><p>　

53、　2.2 有限元法的發(fā)展</p><p>　　最早提出的限元法基本思想，可以追溯到Courant在1943年的工作, 當(dāng)時(shí)開始涉及有限元的概念。20 世紀(jì)60 年代，有限元法在數(shù)學(xué)理論和工程應(yīng)用方面都開始了奠基性工作，有限元方法的收斂性準(zhǔn)則、數(shù)學(xué)原理相繼得到證明。</p><p>　　從20世紀(jì)70年代到80年代中期，有限元法向著廣度和深度發(fā)展，與最早的結(jié)構(gòu)化矩陣分析法相比，現(xiàn)在已經(jīng)逐步推

54、廣到殼、板各實(shí)體等連續(xù)體固體力學(xué)分析。近年來有限元法已經(jīng)發(fā)展到磁場、電傳導(dǎo)、溫度場、滲流、流體力學(xué)和聲場等問題的求解計(jì)算, 而且還發(fā)展到求解一些交叉學(xué)科的問題。</p><p>　　為了提高有限元解決實(shí)際工程問題的效率，前置建模及網(wǎng)格劃分和后置數(shù)據(jù)處理已經(jīng)越來越受到重視。工程師在分析計(jì)算一個(gè)工程問題時(shí)會把80%以上的精力花在數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和結(jié)果分析上。</p><p>　　有限元法的發(fā)展過程與計(jì)

55、算機(jī)技術(shù)的發(fā)展是密不可分的。只有計(jì)算機(jī)技術(shù)高度發(fā)展以后，有限元法才得到廣泛的應(yīng)用。一個(gè)復(fù)雜問題的求解，過去用小型機(jī)花費(fèi)幾天才能得到結(jié)果，現(xiàn)在用PC機(jī)幾個(gè)小時(shí)就能完成。可以預(yù)見，隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，有限元法的應(yīng)用還將進(jìn)一步擴(kuò)大，并將成為工程技術(shù)中更有力、更重要的數(shù)值計(jì)算工具。</p><p>　　2.3有限元法的應(yīng)用</p><p>　　80年代末期以來，金屬塑性成形過程的計(jì)算機(jī)

56、模擬技術(shù)逐漸成熟并進(jìn)入實(shí)用階段。各國的專家對有限元的應(yīng)用作了大量的研究工作。目前，有限元分析軟件己在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于機(jī)電制造、石油化工、土木工程、生物醫(yī)學(xué)、核工業(yè)、汽車交通、鐵道、電子、輕工、日用家電等工業(yè)和科學(xué)研究領(lǐng)域。這里簡單介紹幾個(gè)有限元法的應(yīng)用領(lǐng)域。</p><p>　　2.3.1 有限元法在金屬切削加工過程中的應(yīng)用</p><p>　　進(jìn)行金屬切削加工，主要是為了去除材料上多余的

57、金屬層，從而得到表面質(zhì)量和尺寸都符合要求的零件。在切削力的作用下，被切削材料產(chǎn)生塑性、彈性變形，最后斷裂，這很好的反映了切削過程的本質(zhì)。由此，切削過程就好比是彈塑性力學(xué)理論的一個(gè)分支。有限元法的理論基礎(chǔ)就是變分原理，幾乎所有的彈塑性靜力學(xué)和動力學(xué)問題都可以用有限元法求得滿意的結(jié)果，所以近幾年來，有限元分析在金屬切削加工中的應(yīng)用越來越廣泛。</p><p>　　在切削過程中，刀具幾何參數(shù)、工件材料和切削用量等因素對

58、加工質(zhì)量和刀具使用壽命的影響很大，金屬切削有限元分析的主要過程是定義工件及刀具的材料性能、切削參數(shù)和幾何參數(shù)，以及工件和刀具的相互作用關(guān)系，建立切削過程的有限元仿真模型，利用有限元軟件對模型進(jìn)行計(jì)算，得出仿真結(jié)果并加以分析，來完成對金屬切削過程的仿真研究[17]。</p><p>　　2.3.2 有限元法在機(jī)電工程上的應(yīng)用</p><p>　　目前, 有限元法在機(jī)電工程上的應(yīng)用主要有以下幾

59、個(gè)方面:</p><p><b>　　1.靜力學(xué)分析</b></p><p>　　這是對二維或三維的機(jī)械結(jié)構(gòu)承載后的應(yīng)力、應(yīng)變和變形的分析，是有限元法在機(jī)械工程中最基本、最常用的分析類型。當(dāng)作用在結(jié)構(gòu)上的載荷不隨時(shí)間變化或隨時(shí)間的變化十分緩慢時(shí)，應(yīng)進(jìn)行靜力學(xué)分析。</p><p>　　2.諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)動力學(xué)分析</p><

60、;p>　　這兩類分析也屬動力學(xué)分析, 用于研究結(jié)構(gòu)對周期載荷和非周期載荷的動態(tài)響應(yīng)。</p><p><b>　　3.屈曲分析</b></p><p>　　這是一種幾何非線性分析, 用于確定結(jié)構(gòu)開始變得不穩(wěn)定時(shí)的臨界載荷和屈曲模態(tài)形狀,比如壓桿穩(wěn)定性問題。</p><p><b>　　4.模態(tài)分析</b></p

61、><p>　　這是動力學(xué)分析的一種, 用于研究結(jié)構(gòu)的固有頻率和自振型式等振動特性。進(jìn)行這種分析時(shí)所施加的載荷只能是預(yù)應(yīng)力載荷和位移載荷。</p><p><b>　　5.接觸分析</b></p><p>　　這是一種狀態(tài)非線性分析，用于分析兩個(gè)結(jié)構(gòu)物發(fā)生接觸時(shí)的法向力和接觸面狀態(tài)等。有限元法在機(jī)械結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用一般都是接觸分析，這是由于機(jī)械結(jié)構(gòu)中結(jié)構(gòu)

62、與結(jié)構(gòu)間力的傳遞均是通過接觸來實(shí)現(xiàn)的。但是，受計(jì)算能力的制約，接觸分析應(yīng)用的較少。</p><p>　　2.3.3 有限元法在汽車產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用</p><p>　　有限元在汽車產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用非常廣泛, 淺談以下兩個(gè)主要方面的應(yīng)用。</p><p>　　1、用于汽車零部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的分析</p><p>　　采用有限元法可以對機(jī)械零件

63、的應(yīng)力和變形進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析。有限元以其在機(jī)械結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度分析方面具有較高的計(jì)算精度而得到廣泛應(yīng)用，特別是在材料應(yīng)變、應(yīng)力的線性范圍內(nèi)。另外，當(dāng)考慮機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力的耦合時(shí), 像ANSYS、NASTRAN等大型軟件都提供了極為方便的分析手段。</p><p>　　發(fā)動機(jī)是整部汽車的心臟，傳動系統(tǒng)是汽車動力血液輸送的血管，而齒輪則是這些部件中最主要的零件，對齒輪齒面接觸應(yīng)力和齒根彎曲應(yīng)力的分析因而也就變得尤其重

64、要。通過對齒面接觸應(yīng)力和齒輪齒根彎曲應(yīng)力的分析, 可以優(yōu)化齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù), 提高齒輪的使用壽命和承載能力，對提高整部汽車的使用壽命也做出貢獻(xiàn)。</p><p>　　2、在汽車產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用</p><p>　　實(shí)踐證明，應(yīng)用有限元法對整車結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期對其剛度和強(qiáng)度有充分認(rèn)識，使產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段就可保證使用要求, 縮短設(shè)計(jì)試驗(yàn)周期, 節(jié)省大量的試驗(yàn)和生產(chǎn)費(fèi)用，是提高產(chǎn)品可靠性

65、、既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的方法之一。它在汽車設(shè)計(jì)及產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用使得汽車在輕量化、舒適性和操縱穩(wěn)定性方面得到改進(jìn)和提高。</p><p>　　2.4 有限元軟件的介紹</p><p>　　金屬切削加工過程是一種大應(yīng)變及大變形的非線性彈塑性問題，而且此過程中會產(chǎn)生大量的熱，屬于熱力耦合問題。因此用有限元法研究金屬切削過程需要大量的數(shù)值分析和數(shù)據(jù)計(jì)算，這也是早期有限元法應(yīng)用受到限制的一個(gè)重要原因。但隨

66、著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，其處理器的計(jì)算速度越來越高。運(yùn)行速度的提高為有限元法在金屬切削領(lǐng)域的應(yīng)用提供了前提，而商業(yè)有限元軟件的出現(xiàn)則為其實(shí)際應(yīng)用提供了良好的平臺。現(xiàn)有的有限元軟件包括DEFORM，ANSYS，ADINA，ABAQUS，ALGOR，MSC.Mare，LS-DYNA以及I-DEAS等。每一種有限元軟件都有它各自的特點(diǎn)，而DEFORM-3D由于其在三維流動模型分析及耦合方面的強(qiáng)大功能為本文所采用，下面將對其做簡單介紹。&

67、lt;/p><p>　　2.4.1 DEFORM-3D有限元軟件概述</p><p>　　20世紀(jì)70年代后期，利福尼亞大學(xué)小林研究室在美國軍方的支持下開發(fā)出了有限元軟件ALPID，1990年在此基礎(chǔ)上開發(fā)出DEFORM-2D軟件。該軟件的開發(fā)者獨(dú)立出來成立SFTC公司，并推出了DEFORM-3D軟件。</p><p>　　DEFORM-3D是一套基于工藝模擬系統(tǒng)的有限

68、元系統(tǒng)，專門設(shè)計(jì)用于分析各種金屬成形過程中的三維流動，提供極有價(jià)值的工藝分析數(shù)據(jù)，及有關(guān)成形過程中的溫度和材料流動，是模擬3D材料流動的理想工具。典型的DEFORM-3D應(yīng)用包括鍛造、擠壓、軋制、切削、彎曲和其它成形加工手段。</p><p>　　DEFORM-3D不但魯棒性好，而且使用方便。憑借強(qiáng)大的模擬引擎可以分析金屬成形過程中的多個(gè)關(guān)聯(lián)對象耦合作用的熱特性和大變形。系統(tǒng)中集成了在任何時(shí)候能夠自行觸發(fā)自動網(wǎng)格

69、重劃的生成器，生成優(yōu)化的網(wǎng)格系統(tǒng)?？梢栽谝缶容^高的區(qū)域劃分較細(xì)密的網(wǎng)格，從而降低運(yùn)算規(guī)模，并顯著提高計(jì)算效率。此外，DEFORM-3D延續(xù)了DEFORM系統(tǒng)幾十年來一貫秉乘的力保計(jì)算準(zhǔn)確可靠的傳統(tǒng)。DEFORM-3D的計(jì)算精度和結(jié)果可靠性，被國際成形模擬領(lǐng)域公認(rèn)為第一。</p><p>　　2.4.2 DEFORM-3D的特點(diǎn)</p><p>　　DEFORM-3D具有如下特點(diǎn)：<

70、;/p><p>　　DEFORM-3D是一個(gè)集成環(huán)境內(nèi)綜合建模、成形、熱傳導(dǎo)和成形設(shè)備特性進(jìn)行模擬仿真分析的有限元軟件。其適用于冷、熱、溫成形，如模具應(yīng)力、材料流動、金屬微結(jié)構(gòu)和缺陷產(chǎn)生發(fā)展情況等。DEFORM-3D處理的對象為復(fù)雜的模具、三維零件等。在前處理中自動生成邊界條件，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)備快速可靠，不需要人工干預(yù)，網(wǎng)格劃分全自動。具有FLOWNET和點(diǎn)跡示蹤、變形、云圖、矢量圖、力一行程曲線圖等后處理功能。具有2D

71、切片功能，可顯示模具或工件的剖面結(jié)果。</p><p>　　2.4.3 DEFORM-3D的主界面</p><p>　　DEFORM-3D圖像界面強(qiáng)大而靈活，為用戶準(zhǔn)備輸入數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果數(shù)據(jù)提供了有效的工具。DEFORM-3D還提供了3D幾何操縱修正工具。圖2.2為DEFORM-3D的主界面，其包含以下功能：</p><p>　　(1)創(chuàng)建新項(xiàng)目；(2)設(shè)定工作路徑

72、；(3)觀察模擬過程信息；(4)模擬控制；(5)進(jìn)入前處理窗口；(6)進(jìn)入后處理窗口。</p><p>　　圖2.2 DEFORM-3D的主界面</p><p>　　2.4.4 DEFORM-3D的模塊結(jié)構(gòu)</p><p>　　成形過程仿真系統(tǒng)的建立，就是將剛塑性成形工藝學(xué)、塑性有限元理論、計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)等相關(guān)理論和技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的過程。DEFORM-3

73、D成形問題有限元分析流程如圖2.3所示。從圖中看出，DEFORM-3D軟件的模塊結(jié)構(gòu)是由前處理器、求解器和后處理器三大模塊組成。</p><p>　　(1)前處理器。其包括三個(gè)子模塊：①數(shù)據(jù)輸入模塊，便于數(shù)據(jù)的交互式輸入②網(wǎng)格的自動劃分與自動再劃分模塊③數(shù)據(jù)傳遞模塊，當(dāng)網(wǎng)格重劃分后，能夠在新舊網(wǎng)格之間實(shí)現(xiàn)應(yīng)變、應(yīng)力、邊界條件、速度場等數(shù)據(jù)的傳遞，從而保證計(jì)算的連續(xù)性。這三個(gè)模塊主要完成以下功能：初、邊值條件的提法

74、，用戶交互界面，確定材料模型，數(shù)據(jù)交換接口，建立與離散化力學(xué)模型。</p><p>　　圖2.3 成形過程仿真流程</p><p>　　前處理器的關(guān)鍵是建立與離散化力學(xué)模型，以及初、邊值條件的提法。DEFORM軟件充分考慮到用戶界面中交互方式的友好性，設(shè)計(jì)出能實(shí)時(shí)地監(jiān)控仿真過程而且能讓使用者理解仿真過程的前置處理器。</p><p>　　數(shù)據(jù)交換接口為用戶提供與其它

75、圖形系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和幾何信息的交流途徑，目前為止DEFORM-3D軟件只提供一些通用的CAD軟件數(shù)據(jù)接口，像與UNV、STL、IGES接口進(jìn)行轉(zhuǎn)換而不具備實(shí)體造型能力。</p><p>　　(2)求解器。真正的有限元分析過程是在求解器中完成的。DEFORM運(yùn)行時(shí)，首先通過有限元離散化將邊界條件、平衡方程和本構(gòu)關(guān)系轉(zhuǎn)化為非線性方程組，然后通過Newton-Raphson法和直接迭代法求解，求解的結(jié)果以二進(jìn)制的形式進(jìn)行保

76、存，在后處理器中可以獲取到所需要的結(jié)果。</p><p>　　(3)后處理器。DEFORM軟件的后處理器主要是對有限元計(jì)算產(chǎn)生的眾多數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋，用來顯示計(jì)算結(jié)果，結(jié)果可以是文字混編、數(shù)字形式，也可以是圖形形式。得到的結(jié)果可以為等效應(yīng)變、等效應(yīng)力、以及破壞程度的等色圖和等高線；每一步有限元網(wǎng)格；壓力行程曲線；溫度場；速度場等。此外使用者還可以列點(diǎn)跟蹤，對個(gè)別點(diǎn)的應(yīng)變、應(yīng)力、破壞程度、軌跡進(jìn)行跟蹤觀察，然后根據(jù)需要

77、抽取數(shù)據(jù)。</p><p>　　2.5 DEFORM-3D有關(guān)功能模塊在本課題研究中的應(yīng)用</p><p>　　本文所用的DEFORM-3D功能模塊為Machining模塊。在主窗口界面右側(cè)點(diǎn)擊前處理Pre Processor中的Machjning選項(xiàng)，即可進(jìn)入切削前處理界面。在前處理器中，要求設(shè)置工作溫度、切削參數(shù)和接觸面屬性；選擇工件和刀具的形狀、材料；設(shè)定模擬條件并進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，在

78、最后檢查設(shè)定結(jié)果，最后生成后綴為DB的文件，那樣前處理階段就完成了。當(dāng)完成切削模型前處理過程后，用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊文件目錄菜單下的.DB文件，接著點(diǎn)擊DEFORM主窗口右側(cè)Simulator標(biāo)題下的run選項(xiàng)，則可開始切削過程的模擬。在主窗口的Message和Log標(biāo)簽下可以查看運(yùn)行過程中每一步節(jié)點(diǎn)、時(shí)間起止、接觸等狀況。運(yùn)算時(shí)以Step的形式保存數(shù)據(jù)，并保存到生成的.DB文件內(nèi)。在模擬過程中，不但可以隨時(shí)中斷和結(jié)束模擬，而且還可以進(jìn)入后處

79、理器觀察模擬效果。</p><p>　　在模擬正常結(jié)束后，選擇生成的.DB文件，單擊主窗口左側(cè)的Post Processor欄下的DEFORM-3D Post選項(xiàng)，出現(xiàn)后處理窗口。在后處理窗口中，可以觀察整個(gè)動態(tài)模擬過程，每一步下刀具或工件的狀態(tài)及進(jìn)行其它一些分析。</p><p>　　第三章 鈦合金的性質(zhì)和力學(xué)性能分析</p><p>　　3.1 鈦合金的性質(zhì)&l

80、t;/p><p>　　鈦合金是以鈦為基加入其他元素組成的合金。鈦有兩種同質(zhì)異晶體：882℃以下為密排六方結(jié)構(gòu)α鈦，882℃以上為體心立方的β鈦。</p><p>　　鈦合金具有如下性質(zhì)：</p><p><b>　　(1) 強(qiáng)度高</b></p><p>　　鈦合金的密度一般在4.5g/cm3左右，僅為鋼的60％，純鈦的強(qiáng)度

81、才接近普通鋼的強(qiáng)度，一些高強(qiáng)度鈦合金超過了許多合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度。從表3.1可以看出鈦合金的比強(qiáng)度遠(yuǎn)大于其他金屬結(jié)構(gòu)材料。</p><p>　　表3.1 鈦合金與其它金屬的物理性質(zhì)比較</p><p><b>　　(2) 抗腐蝕性好</b></p><p>　　在潮濕的海水介質(zhì)和大氣中工作，鈦合金的抗蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼，這是由于它的表面能夠生成致密

82、堅(jiān)固的氧化膜。而且其對酸蝕、點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強(qiáng)，對氯的有機(jī)物品、氯化物、硫酸、硝酸、堿等有優(yōu)良的抗腐蝕能力，然而對具有還原性氧及鉻鹽介質(zhì)的抗蝕性差。</p><p>　　(3) 彈性模量小、導(dǎo)熱系數(shù)小</p><p>　　鈦合金的彈性模量約為鋼的1/2，因而其剛性差、易變形，難以用來制作薄壁件和細(xì)長桿。切削時(shí)加工表面的回彈量很大，約為不銹鋼的2～3倍，造成刀具后刀面的劇烈摩擦、粘

83、附、粘結(jié)磨損。鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)λ=7.5W/（m.K），約為鋁的1/14，鐵的1/5，鎳的1/4，而且研究證明各種鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)比鈦的導(dǎo)熱系數(shù)下降了約50％。</p><p><b>　　(4) 低溫性能好</b></p><p>　　鈦合金在低溫和超低溫下，仍能保持其力學(xué)性能。低溫性能好、間隙元素極低的鈦合金，如TA7，在-253℃下還能保持一定的塑性。因此，鈦合

84、金也是一種重要的低溫結(jié)構(gòu)材料。</p><p><b>　　(5) 熱強(qiáng)度高</b></p><p>　　相比于其他合金，鈦合金在150℃～300℃范圍內(nèi)仍有很高的比強(qiáng)度，而鋁合金在150℃時(shí)比強(qiáng)度明顯下降。由此可看出其使用溫度比一般合金高幾百度，在中等溫度下仍能保持所要求的強(qiáng)度，可在450～500℃的溫度下長期工作。就本文的仿真研究對象Ti6A14V來說，在400℃

85、時(shí)的抗拉強(qiáng)度達(dá)到618Mpa。</p><p><b>　　(6) 化學(xué)活性大</b></p><p>　　鈦的化學(xué)活性大，與大氣中N 、O、H、CO2、CO、氨氣、水蒸氣等產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)生成硬度很高的硬化層或是脆性層，造成脆性加大、塑性下降。此外，鈦的化學(xué)親和性也大，易與摩擦表面產(chǎn)生粘附現(xiàn)象。</p><p>　　3.2 鈦合金Ti6Al

86、4V力學(xué)性能分析</p><p>　　3.2.1 鈦合金Ti6Al4V基本物理屬性</p><p>　　鈦及其合金是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種重要材料，其耐腐蝕性好，比強(qiáng)度高，密度小，因而鈦及其合金被譽(yù)為航天航空工業(yè)的“脊柱”。據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示應(yīng)用到航天航空上的鈦占總產(chǎn)量的70%，包括航天器、人造衛(wèi)星殼體、軍用飛機(jī)、航空發(fā)動機(jī)、民用飛機(jī)、燃料箱、導(dǎo)彈尾翼、連結(jié)座、彈頭殼體、高強(qiáng)螺栓等。近

87、年來，鈦合金在冶金、石油、化工、體育用品、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域逐漸得到應(yīng)用，并己成為新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備不可缺少的金屬材料。</p><p>　　1954年，美國專家研制成功了鈦合金Ti6Al4V。由于它具有耐熱性、高比強(qiáng)度，而且成形性、生物相容性、可焊性、塑性、韌性、耐蝕性均較好，因而逐漸成為鈦合金工業(yè)中的王牌合金，它的使用量已占全部鈦合金的75% ~ 85%，其它許多鈦合金都可以看作是Ti6Al4V合金的改型。其

88、主要化學(xué)組成成分和基本物理性能分別見表3.2和3.3。</p><p>　　表3.2 鈦合金Ti6Al4V化學(xué)組成成分</p><p>　　表3.3 鈦合金Ti6Al4V基本物理性能</p><p>　　3.2.2 鈦合金Ti6Al4V的靜態(tài)力學(xué)性能</p><p>　　Ti6Al4V合金的基本靜態(tài)力學(xué)性能如表3.4 所示。</p>

89、;<p>　　表3.4 Ti6Al4V合金的基本力學(xué)性能</p><p>　　3.2.3 鈦合金Ti6Al4V的動態(tài)力學(xué)性能</p><p>　　何謂鈦合金的動態(tài)力學(xué)性能，就是指鈦合金在動態(tài)加載條件下所表現(xiàn)出來的特性，如應(yīng)變、應(yīng)變率、應(yīng)力、溫度效應(yīng)以及相互之間的關(guān)系，下面就分別講述應(yīng)變、溫度、應(yīng)變速率對鈦合金流動應(yīng)力的影響規(guī)律。</p><p><

90、;b>　?。?）等效應(yīng)變</b></p><p>　　等效應(yīng)變對流動應(yīng)力的影響如圖3.5所示。隨著等效應(yīng)變的增加，流動應(yīng)力也隨之增加，但當(dāng)?shù)刃?yīng)變達(dá)到0.3左右時(shí)，其流動應(yīng)力保持不變或略有下降，等效應(yīng)變接近0.5時(shí)，流動應(yīng)力又呈增加趨勢。這種變化規(guī)律與熱變形過程中動態(tài)回復(fù)和動態(tài)再結(jié)晶有關(guān)。</p><p>　　圖3.5 Ti6Al4V流動應(yīng)力與等效應(yīng)變的關(guān)系曲線<

91、/p><p><b>　?。?）變形溫度</b></p><p>　　變形溫度是決定機(jī)械性能和鍛件組織的主要因素之一，而且對流動應(yīng)力的影響很大。由圖3.6可以看出，變形溫度對流動應(yīng)力的影響成三次多項(xiàng)式關(guān)系單調(diào)下降。這是由于鈦合金在升溫過程中，Ti6Al4V合金晶粒的大小、形態(tài)、晶格類型及組成相的比例都發(fā)生改變，造成Ti6Al4V合金的變形抗力和塑性都發(fā)生很大的變化。<

92、;/p><p>　　圖3.6 Ti6Al4V流動應(yīng)力與溫度的關(guān)系曲線</p><p><b>　?。?）等效應(yīng)變速率</b></p><p>　　圖3.7反映了應(yīng)變速率對流動應(yīng)力的影響規(guī)律。其中曲線呈指數(shù)關(guān)系單調(diào)上升。這主要是因?yàn)槲诲e(cuò)運(yùn)動是金屬塑性變形的本質(zhì)，隨著應(yīng)變速率增加，導(dǎo)致變形過程縮短，從而加劇金屬內(nèi)部的畸變程度，造成繼續(xù)變形困難，同時(shí)

93、，再結(jié)晶和回復(fù)進(jìn)行不充分，這些都使變形抗力增大。</p><p>　　圖3.7 Ti6Al4V流動應(yīng)力與應(yīng)變速率的關(guān)系曲線</p><p>　　第四章 基于DEFORM-3D的Ti6Al4V切削模型的建立</p><p>　　有限元模型的建立就是將被研究對象的材料特性、幾何外形和研究對象內(nèi)部以及周圍環(huán)境之間的相互作用有機(jī)結(jié)合的過程。為了更好地利用有限元方法模擬Ti

94、6Al4V切削過程，更好地反映切削機(jī)理，在建立切削模型的過程中需考慮如下關(guān)鍵問題：有限元網(wǎng)格的劃分、切屑分類準(zhǔn)則、工件材料的流動應(yīng)力模型、磨損模型和接觸摩擦模型等。</p><p>　　除此之外，正確的簡化模型不但可以提高計(jì)算結(jié)果的精度，并且可以大大的縮短計(jì)算時(shí)間。因此本研究作如下假設(shè)：</p><p>　　(1)在切削過程中，機(jī)床、工件及刀具組成的工藝系統(tǒng)的變形將影響切削的參數(shù)。為了不將

95、使問題復(fù)雜化，將不考慮這些因素的影響。所以假定夾具、機(jī)床是剛性體。</p><p>　　(2)為了準(zhǔn)確起見，也為了消除加工周圍的環(huán)境溫度對切削溫度的分布產(chǎn)生影響，假定環(huán)境溫度始終是20℃。</p><p>　　4.1 幾何及材料模型的建立</p><p>　　4.1.1 幾何模型的建立</p><p>　　幾何建模就是要生成工件和刀具的幾何模

96、型，為材料屬性的定義和有限元網(wǎng)格的劃分提供載體。DEFORM-3D為本文提供了工件和刀具的幾何模型。圖4.1為Ti6Al4V切削的三維有限元模型示意圖。</p><p>　　圖4.1 Ti6Al4V三維切削有限元模型示意圖</p><p>　　4.1.2 材料模型的建立</p><p>　　所謂材料模型的建立，就是要獲得材料本構(gòu)關(guān)系的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線，以定義材料在

97、載荷作用下的響應(yīng)行為。在本文中，設(shè)定刀具材料為剛性材料，因其硬度、強(qiáng)度遠(yuǎn)大于工件材料，所以在切削過程中產(chǎn)生很小的應(yīng)變，分析時(shí)只考慮其熱傳導(dǎo)、摩擦等影響。而工件的彈性變形部分遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于塑性變形部分，由此可以忽略彈性變形，同時(shí)高溫成形時(shí)材料對變形速率敏感，表現(xiàn)出一定的粘性，因此，將材料模型簡化為剛粘塑性模型[18]。具體的關(guān)于Ti6Al4V的物理力學(xué)性能見表4.2。本文研究所采用的刀具材料為WC基的硬質(zhì)合金刀片，工件材料為Ti6Al4V[70

98、-1850F(20-1000C)]-s000003。</p><p>　　表4.2 Ti6Al4V物理力學(xué)性能參數(shù)</p><p>　　4.2 有限元網(wǎng)格的劃分</p><p>　　對于網(wǎng)格劃分，不同的單元形狀對計(jì)算的結(jié)果和精度有很大的影響，應(yīng)該根據(jù)所處理問題的實(shí)際情況選擇不同的單元類型。在三維金屬成形模擬有限元軟件分析中，常用到的單元主要有混和四面體單元和八節(jié)點(diǎn)六

99、面體單元。其中，混和四面體單元是線性的幾何特性，它劃分網(wǎng)格的時(shí)候相對比較容易，然而八節(jié)點(diǎn)六面體單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格的話比較麻煩，因?yàn)槠溥m用于變形分析和熱傳導(dǎo)分析。Deform-3D采用的是經(jīng)過特殊處理的四面體單元。</p><p>　　一般情況下網(wǎng)格數(shù)量是由網(wǎng)格密度控制參數(shù)和給定的實(shí)體表面所劃分的單元數(shù)目兩方面所決定的。對于給定大小工件(或刀具)，增大網(wǎng)格密度可以提高應(yīng)變、應(yīng)力和溫度等場變量的計(jì)算精度并且提高幾何模型的分

100、辨率。然而，一般來講增大網(wǎng)格密度會使計(jì)算求解所需要的時(shí)間延長。因此，要根據(jù)實(shí)際情況在一些場變量變化梯度較大的區(qū)域，網(wǎng)格劃分的致密些，而變形較小或各場量變化梯度較小的區(qū)域的網(wǎng)格劃分稀疏些。此外，根據(jù)接觸條件，柔體相對于剛體應(yīng)用更致密的網(wǎng)格。根據(jù)上述網(wǎng)格劃分原則，本文對工件和刀具進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，如圖4.3和圖4.4所示。其中工件劃分的網(wǎng)格數(shù)為50000，而刀具網(wǎng)格的劃分相對稀疏，劃為20000。</p><p>　　

101、圖 4.3 工件網(wǎng)格劃分 4.4 刀具網(wǎng)格劃分</p><p><b>　　4.3刀屑分離準(zhǔn)則</b></p><p>　　切削加工與一般的金屬塑性成形不同的是它是一個(gè)使被加工材料不斷產(chǎn)生分離的過程。在切削加工中要想得到準(zhǔn)確的切削幾何形狀、切削力、溫度和殘余應(yīng)力等，需要分離準(zhǔn)則真實(shí)地反應(yīng)切削中加工材料的力學(xué)和物理性質(zhì)。而且，一個(gè)好的

102、分離準(zhǔn)則在切削材料確定后，不應(yīng)隨著切削條件的變化而變化。其中DEFORM-3D所定義的分離準(zhǔn)則有三種：</p><p>　　1.缺省準(zhǔn)則 當(dāng)接觸節(jié)點(diǎn)的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力超過系統(tǒng)默認(rèn)值時(shí)，節(jié)點(diǎn)分離。然而，缺省準(zhǔn)則也有可能是幾何準(zhǔn)則。</p><p>　　2.流動應(yīng)力準(zhǔn)則 當(dāng)接觸節(jié)點(diǎn)的拉應(yīng)力大于工件流動應(yīng)力的預(yù)設(shè)百分比時(shí)，節(jié)點(diǎn)分離。</p><p>　　3.

103、絕對壓力準(zhǔn)則 當(dāng)接觸節(jié)的點(diǎn)受力超過材料的最大屈服應(yīng)力時(shí)，節(jié)點(diǎn)分離。</p><p>　　本文中，研究所采用的是系統(tǒng)默認(rèn)的缺省準(zhǔn)則，如需應(yīng)用其他分離準(zhǔn)則，可在DEFORM-3D Pre-Inter-object中設(shè)定。如圖4.5所示。</p><p>　　圖4.5 分離準(zhǔn)則設(shè)置</p><p><b>　　4.4建立摩擦模型</b></

104、p><p>　　在有限元模型中的摩擦模型中，可以將刀具與切屑的相互作用，看成一個(gè)變形體(切屑)與一個(gè)剛性面(前刀面)之間的相互作用。隨著刀具進(jìn)入工件和切屑由工件上分離，刀具前刀面和切屑底面之間產(chǎn)生了摩擦，該摩擦區(qū)分為兩個(gè)區(qū)域，靠近刀尖處為粘接區(qū)(Stick)，較遠(yuǎn)的為滑移區(qū)(S1ip)。如圖4.6所示。切屑與前刀面的摩擦是由外摩擦和內(nèi)摩擦組成。一般以內(nèi)摩擦為主，其占到總摩擦力的85％左右。</p>&l

105、t;p>　　圖4.6 前刀面摩擦模型</p><p>　　在DEFORM-3D中，有兩種摩擦模型可用，它們分別是剪切摩擦模型和庫倫摩擦模型。而摩擦系數(shù)可以被定義為一個(gè)常數(shù)，又可定義為接觸面壓力的函數(shù)，還可以被定義為時(shí)間的函數(shù)。在DEFORM-3D的Machining前處理模塊建立切削模型時(shí)，默認(rèn)的摩擦模型為剪切摩擦模型，而摩擦系數(shù)設(shè)定為固定值0.6。如圖4.7所示。</p><p>

106、　　圖4.7 摩擦模型摩擦系數(shù)的設(shè)定</p><p>　　4.5 刀具磨損模型的建立</p><p>　　在DEFOMR-3D中，有兩種可用的磨損模型：Archard模型和Usui模型。Archard模型通常適用于不連續(xù)加工，如冷(熱)鍛等。而Usui模型在連續(xù)加工(如切削)方面有更好的表現(xiàn)。故本研究采用Usui磨損模型對刀具的磨損進(jìn)行預(yù)測。但該方法的不足之處是不能對切削刃經(jīng)過處理的刀具進(jìn)

107、行預(yù)測。1989年，Kitagawa發(fā)現(xiàn)Usui公式同樣適用于描述后刀面的磨損情況，這是在對該特殊公式進(jìn)行常數(shù)修正后得出的結(jié)論[19]。Usuj粘接磨損特征公式表明，刀／屑和刀／工界面上的正壓力、相對滑動速度以及刀面溫度決定磨損率，即</p><p><b>　　W=</b></p><p>　　式中，為正壓力；為工件材料相對于刀具的滑動速度；C與為特征常數(shù)； T為刀