ti6al4v切削過程有限元分析【開題報告】

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計開題報告</b></p><p>　　機械設(shè)計制造及其自動化</p><p>　　Ti6Al4V切削過程有限元分析 </p><p>　　一、綜述本課題國內(nèi)外研究動態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義</p><p>　　1.[國內(nèi)外研究動態(tài)] </p><p>

2、;　　近幾十年隨著鈦合金的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外在鈦合金切削加工領(lǐng)域進行了大量的研究工作，并取得了一系列的進展。</p><p>　　在切削性能和表面完整性方面，E.O.Ezugwua等人研究了不同刀具不同切削條件下切削鈦合金工件的表面質(zhì)量。研究發(fā)現(xiàn)，采用CBN刀具加工鈦合金，已加工表面粗糙度比未涂層的硬質(zhì)合金的要低，工件表面質(zhì)量較好。</p><p>　　Wang等人采用未涂層細晶粒和普通晶粒

3、硬質(zhì)合金刀片連續(xù)和斷續(xù)在傳統(tǒng)速度和高速下切削鈦合金。在他們的研究中，細晶粒硬質(zhì)合金刀具材料有著較高的抗磨損性，適合于斷續(xù)切削鈦合金。</p><p>　　C.H.che-Haron研究了硬質(zhì)合金刀具在不同切削速度下切削鈦合金的工件表面完整性。研究發(fā)現(xiàn)，在干切削條件下，切削時間較長時，加工表面會出現(xiàn)一些撕裂和塑性變形。并且表面加工硬化也很嚴重。</p><p>　　在刀具磨損和刀具壽命方面，

4、滿忠雷等人在干切削和氮氣介質(zhì)下用硬質(zhì)合金低速（v=30-60m/min）銑削鈦合金，證明在氮氣介質(zhì)中刀具的磨損要比干切削時的磨損要小，刀具壽命提高一倍；在氮氣介質(zhì)下切削鈦合金時刀具的磨損形式主要有機械磨損、粘結(jié)磨損、氧化磨損、擴散磨損燒傷、剝落、微觀裂紋。</p><p>　　馬光峰等銑削BT20鈦合金材料，通過電鏡掃描分析刀具的磨損主要是前刀面的月牙洼磨損，后刀面的粘結(jié)磨損和化學(xué)磨損，以及邊界磨損。</p

5、><p>　　Jiang和Shivpuri發(fā)現(xiàn)在用硬質(zhì)合金刀具加工鈦合金時，月牙洼磨損是影響刀具壽命和生產(chǎn)率的的主要磨損形態(tài)。他們把月牙洼磨損率與在切削熱作用下鈷元素從刀具擴散到鈦合金切削中聯(lián)系起來，建立了包括熱傳導(dǎo)-擴散過程的刀具磨損模型，還建立了切削過程中刀削接觸面非等溫條件下的粘塑性有限元模型。</p><p>　　在冷卻液等切削介質(zhì)的影響方面，E.O.Ezugwua等人研究發(fā)現(xiàn)在低速下

6、，切削區(qū)域溫度相對較低，冷卻液的效果相當明顯，有潤滑、減小摩擦系數(shù)、降低切削力和刀具磨損率的作用。在高速下，冷卻液無法進入刀-屑及刀-工接觸區(qū)域，同時在高溫下還有蒸發(fā)的趨勢。</p><p>　　Kitagawa研究了鈦合金的高速銑削過程。發(fā)現(xiàn)了高速端銑鈦合金時，依靠使用切削液降低瞬時溫度是可行的。最后他們提出了數(shù)學(xué)模型來驗證實驗中測量的切削溫度。</p><p>　　舒彪等人在空氣油霧介

7、質(zhì)和氮氣油霧介質(zhì)中高速銑削鈦合金（v=300m/min），并對刀具的磨損機理做了研究。研究表明這兩種介質(zhì)中刀具磨損主要是粘結(jié)磨損、氧化磨損、剝落與崩刃，其中空氣油霧刀具磨損較為明顯。</p><p>　　在數(shù)值模擬方面，眾多學(xué)者也取得了不少成績。Sandstrom和Hodowany采用有限元分析方法建立了切削鈦合金Ti6Al4V的幾何模型。在他們的研中，分析了高速加工Ti6Al4V時切削形成的動態(tài)過程。實驗中觀察

8、到片狀切削的生成，這是由于在高頻率下切削力的波動引起的。波動的的切削力的頻率很高，以至于引起切削刀具的振動。除此之外，刀具切削力波動決定的片狀切削的形成是刀具磨損的一個重要因素。</p><p>　　隨著切削技術(shù)的不斷提高和高速切削的廣泛應(yīng)用,鈦合金的切削加工也越來越趨向于高速加工。如今為了提高切削速度，國內(nèi)外的不少研究者正在嘗試各種方法來研究鈦合金的高速切削。</p><p>　　德國、

9、美國、日本等掌握先進制造技術(shù)的國家已經(jīng)研制出多種商品化的高速切削機床，并且在高速切削工藝方面進行了大量的研究。研究內(nèi)容包括各種材料高速切削中切屑形成機理、刀具材料及切削參數(shù)優(yōu)化、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計及動平衡、高速加工振動特性與控制、刀具走刀路徑控制、冷卻技術(shù)、高速切削安全性等。國際上在高速切削理論研究方面雖取得了一些研究成果，但總體上落后于工業(yè)實高強度鈦合金的高速銑削研究踐，還沒有公認的理論能夠解釋高速切削中許多特殊問題和現(xiàn)象，這是問題之一。問

10、題之二是雖然鈦合金等難加工材料高速切削速度己比普通加工的切削速度提高了數(shù)倍，但刀具磨損依然是制約難加工材料切削速度進一步提高的關(guān)鍵因素。也正是由于高速切削機理尚不明確，也影響了鈦合金等難加工材料高速切削技術(shù)與工具技術(shù)的進一步發(fā)展。這是高速、超高速切削技術(shù)兩大國際性難題。</p><p>　　我國在90年代初開始有關(guān)高速切削機床及工藝的研究。研究內(nèi)容包括水泥床身、高速主軸系統(tǒng)、全陶瓷軸承及磁懸浮軸承、快速進給系統(tǒng)、

11、有色金屬及鑄鐵高速切削機理與適用刀具等方面。國家自然科學(xué)基金和航空科學(xué)基金曾資助南京航空航天大學(xué)開展鈦合金銑削和陶瓷刀具高速車削高溫合金技術(shù)研究;國家自然科學(xué)基金資助過同濟大學(xué)開展高速機床關(guān)鍵技術(shù)研究;資助廣東工業(yè)大學(xué)開展直線電機高速進給系統(tǒng)研究等;國家科委資助沈陽工業(yè)學(xué)院開發(fā)高速車銑機床技術(shù)。上海交大和西工大曾對鋁合金高速銑削中切削溫度的動態(tài)變化規(guī)律進行了試驗研究。但由于條件限制，在該領(lǐng)域的研究非常零散，很不深入，真正應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的

12、完全由我國自行開發(fā)的高速切削機床還沒有，與發(fā)達國家存在很大差距?？上驳氖亲罱鼛啄辏瑥膶W(xué)術(shù)界到工業(yè)界逐步認識到高速與超高速切削的重要意義，不少工廠、尤其是航空主機廠都投入巨資引進國外先進的高速切削機床，為高速切削技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用和發(fā)展提供了物資基礎(chǔ)。但是，由于缺乏高速切削基礎(chǔ)理論體系和工藝技術(shù)應(yīng)用系統(tǒng)的研究，應(yīng)用非常有限，存在的主要問題有: </p><p>　　(1)缺乏深入的切削機理研究，使得工業(yè)應(yīng)用研究帶有很

13、大的盲目性。高速切削技術(shù)在切削原理上是對常規(guī)切削的重大突破，在切削加工工藝安排、切削用量選擇及刀具應(yīng)用等方面有較大的特殊性，普通切削工藝及傳統(tǒng)刀具不能滿足高速切削技術(shù)要求。</p><p>　　(2)生產(chǎn)實際中缺乏較全面的實用化的高速切削工藝數(shù)據(jù)庫。由于缺乏必要的工藝技術(shù)研究和試驗，無法向工業(yè)界提供合理可靠的工藝參數(shù)，大多數(shù)引進的高速機床均沒有充分發(fā)揮應(yīng)有的效益，造成設(shè)備的嚴重浪費。</p><

14、;p>　?。?)鈦合金等難加工材料高速銑削技術(shù)落后，嚴重影響航空產(chǎn)品的研制質(zhì)量和速度。</p><p>　　(4)缺少理論和技術(shù)的支持，自我發(fā)展能力很低。高速切削的機床、刀具、切削液等等均依賴進口，這將嚴重制約航空宇航等涉及國防工業(yè)制造技術(shù)的發(fā)展.</p><p>　　綜上所述，高速切削技術(shù)是國際上先進制造技術(shù)的發(fā)展潮流，開展欽合金等難加工材料的高速切削研究，解決鈦合金高速切削加工難

15、題，必將對于我國航空工業(yè)的飛速發(fā)展將起到非常積極的作用。</p><p>　　總體而言，國內(nèi)外關(guān)于金屬切削過程的研究，一方面，在研究內(nèi)容上，己從單因素試驗進入到多因素試驗，從靜態(tài)觀測進入動態(tài)觀測，從宏觀研究進入微觀研究;另一方面，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，在研究方式上，已從單純的實驗研究，過渡到結(jié)合利用計算機進行數(shù)值模擬，使傳統(tǒng)的研究方法嫁接上全新的理念，這將會給金屬切削過程產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。</p>

16、<p><b>　　2.[選題依據(jù)]</b></p><p>　　近年來，隨著我國國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，人民生活水平不斷提高，鈦和鈦合金材料逐漸進入了民用領(lǐng)域。由鈦及鈦合金板、管、帶、絲、箔、餅、環(huán)等加工材和多種金屬復(fù)合材制成的鈦產(chǎn)品，在醫(yī)療、體育及眼鏡、手表、洗衣機等日用消費品領(lǐng)域得到應(yīng)用，受到市場的青睞，未來的市場十分巨大。鈦合金產(chǎn)品具有優(yōu)異的使用性能，但鈦合金材料也屬于典型

17、的難切削材料。其硬度大于HB350時切削特別困難，小于HB300時則容易出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象。在加工過程中，具有變形系數(shù)小，切削溫度高，單位面積上的切削力大，冷硬現(xiàn)象嚴重，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際意義。</p><p>　　然而,由于金屬切削過程中發(fā)生在第一、第二剪切區(qū)的高溫、高應(yīng)變和高應(yīng)變率,使得金屬切削是一個高度非線性和熱力耦合的過程。由于

18、科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠遠不能滿足設(shè)計的要求，許多工程問題如材料的破壞與失效、裂紋擴展等僅靠線性理論根本不能解決，必須進行非線性分析求 解，例如薄板成形就要求同時考慮結(jié)構(gòu)的大位移、大應(yīng)變（幾何非線性）和塑性（材料非線性）；而對塑料、橡膠、陶瓷、混凝土及巖土等材料進行分析或需考慮材 料的塑性、蠕變效應(yīng)時則必須考慮材料非線性。眾所周知，非線性問題的求解是很復(fù)雜的，它不僅涉及到很多專門的數(shù)學(xué)問題，還必須掌握一定的理論知識和求解技巧，

19、學(xué)習(xí)起來也較為困難。為此國外一些公司花費了大量的人力和物力開發(fā)非線性求解分析軟件，如DEFORM、ADINA、ABAQUS等。它們的共同特點是具有高效的非線性求解器、豐富而實用的非線性材料庫。有限元方法是模擬金屬切削加工過程的有效方法,該方法有助于理解材料去除過程中發(fā)生的物理現(xiàn)象,對于正確選擇刀具材料、設(shè)計刀具幾何形狀、提高產(chǎn)品的加工精度和表面質(zhì)量具有重要意義。</p><p><b>　　3.[選題意

20、義]</b></p><p>　　鈦及鈦合金對一個國家的國防、經(jīng)濟和科技發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義，被稱為21世紀的戰(zhàn)略金屬，也被稱為新崛起的第三代金屬。</p><p>　　目前，航空航天工業(yè)是鈦合金的主要消費領(lǐng)域。應(yīng)用于此領(lǐng)域的鈦合金產(chǎn)品雖然具有優(yōu)異的性能，但價格普遍比較昂貴。造成鈦合金零件價格較高的原因是多方面的，其中加工成本高是重要原因之一。鈦合金切削加工成本高主要是由切削

21、鈦合金時摩擦力大、溫度高、刀具磨損嚴重造成的。加工鈦合金的速度比加工鋼的速度低50%，因此其制造成本比鋼要高得多，而且需要采用高性能刀具，刀具費用也大幅提高。作為地球并不稀缺的資源，鈦多年來并未得到廣泛應(yīng)用，主要原因在于應(yīng)用成本較高。因此鈦合金在航空航天領(lǐng)域中能否廣泛應(yīng)用，在一定程度上取決于它的制造成本。深入、系統(tǒng)地研究鈦合金的加工技術(shù)具有重要意義。</p><p>　　二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題：&l

22、t;/p><p><b>　　[研究的基本內(nèi)容]</b></p><p>　　本文通過切削仿真分析，研究鈦合金Ti6Al4V切削時的應(yīng)變、應(yīng)變率、應(yīng)力及切削溫度等分布；運用有限元法，研究切削速度等切削參數(shù)對切削溫度、切削力的影響。本文的研究對提高鈦合金零件加工效率和加工質(zhì)量，實現(xiàn)其高效精密銑削加工，促進鈦合金材料的推廣應(yīng)用具有重要的意義。</p><p

23、>　　[擬解決的主要問題]</p><p>　　學(xué)習(xí)有限元分析方法，至少掌握一種有限元分析軟件，并運用有限元法仿真金屬的切削加工過程；通過建立基于Deform-3D有限元軟件平臺的Ti6Al4V切削過程有限元仿真模型，對鈦合金Ti6Al4V切削時的切削力、切削溫度等進行研究，同時獲得鈦合金Ti6Al4V切削時的應(yīng)變、應(yīng)變率、應(yīng)力及切削溫度的分布云圖。</p><p>　　三、研究步驟

24、、方法及措施：</p><p><b>　　[研究步驟]</b></p><p>　　首先查閱大量的相關(guān)資料，了解和學(xué)習(xí)當今鈦合金切削加工各方面的情況。在進一步學(xué)習(xí)研究的基礎(chǔ)上，利用DEFORM軟件對Ti6Al4V切削過程進行仿真研究，在切削仿真研究過程中，不斷深化研究主題，最后得出結(jié)論，提出相關(guān)經(jīng)驗。</p><p><b>　　[

25、研究方法]</b></p><p>　　查閱相關(guān)文獻和設(shè)計手冊，同時進行研究性分析，并且利用有限元軟件進行仿真。</p><p><b>　　四、參考文獻</b></p><p>　　[1] 陳永紅.民用鈦合金的現(xiàn)狀和發(fā)展方向[J].五鋼科技，2000(4):3-11.</p><p>　　[2] 毛小南,趙

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