鈦合金銑削加工過程參量建模及刀具磨損狀態(tài)預測.pdf

1、鈦合金因其優(yōu)良的綜合性能在航空航天領域有著廣泛的應用，被譽為一種使人類走向空間時代的戰(zhàn)略金屬材料。然而，由于具有導熱系數低、彈性模量小和高溫化學活性高等特點，鈦合金又是一種典型的難加工材料。在切削過程中，容易產生很高的切削溫度，導致刀具磨損加快、表面質量難以控制。同時，由于鈦合金的結構件特點，大量的材料需要從整塊坯料中去除，進一步增加了加工困難。硬質合金因其優(yōu)良的性能而廣泛應用于鈦合金材料的加工。然而，硬質合金刀具的磨損是個突出的問題。

2、嚴重的刀具磨損不僅對加工效率和質量有較大的影響，而且也關系到加工成本，且目前尚缺乏鈦合金加工用刀具壽命預測的有效模型和方法。因此，研究鈦合金加工用刀具的磨損模型，預測刀具磨損量，監(jiān)測刀具磨損狀態(tài)，已成為鈦合金加工研究領域值得關注的課題。
　　本文采用航空用鈦合金Ti6Al4V作為研究材料，研究硬質合金刀具切削鈦合金Ti6Al4V過程中，在熱力耦合作用下的磨損特征與規(guī)律。首先從理論和實驗兩方面對銑削Ti6Al4V時考慮刀具磨損影響的

3、切削力進行了研究;基于切削力與切削溫度的密切相關性，利用經典傳熱學理論提出了銑削鈦合金Ti6Al4V時銑削溫度的理論預測模型，并且借助半人工熱電偶法測量采集了銑削過程中的銑削溫度;考慮刀具在銑削過程中受到的熱力耦合作用，揭示了基于溫度效應的刀具失效機理，構建了硬質合金刀具磨損模型;最后利用有限元軟件AdvantEdg的二次開發(fā)技術，進行了刀具磨損的預測研究。
　　切削力是反映切削過程本質的一個重要參量，切削力的大小將直接影響切削功

4、率、切削熱、刀具磨損和加工變形等，同時不斷變化的刀具磨損也會導致切削力的變化，切削加工過程就是切削力與刀具磨損彼此相互激勵、相互作用的過程。本文從理論和實驗兩方面對整體硬質合金立銑刀銑削鈦合金Ti6Al4V時考慮刀具磨損影響的切削力進行了研究。首先基于經典剪切角理論以及Armarego經典斜角切削理論分別建立了直角、斜角切削力模型;考慮到刀具磨損的影響，建立了考慮刀具前、后刀面磨損的切削力模型;進而借助于整體刀具離散化建模思想構建了復雜

5、結構整體立銑刀磨損狀態(tài)下的三維切削力預測模型;最后通過鈦合金Ti6Al4V銑削實驗，對比分析了切削力的理論預測值與實驗測量值，驗證了切削力預測模型的準確性。
　　切削溫度是反映切削過程本質的另一個重要參量，尤其對于銑削加工而言，其特殊的斷續(xù)切削性使得銑削加工過程較普通車削加工過程更加復雜，加工環(huán)境更加惡劣，加工過程中產生的高溫高壓是刀具發(fā)生磨損的原因。本文基于經典傳熱學理論建立了考慮刀具磨損影響的斜角車削過程切削區(qū)溫度場的傳熱模型

6、，用熱源法對剪切熱源、刀/屑和刀/工摩擦熱源的溫度場進行了理論計算，得到三者共同作用下刀具、切屑以及工件的溫度場預測模型;進而借助于離散化思想把建立的斜角車削溫度場預測模型轉化為銑削過程中考慮刀具磨損影響的溫度場預測模型;最后在對鈦合金Ti6Al4V-康銅非標準熱電偶進行標定的基礎上，利用半人工熱電偶法測量采集了銑削溫度，研究了加工參數對銑削溫度的影響規(guī)律，并將切削溫度預測模型計算結果與實驗測量結果進行對比分析，驗證了切削溫度預測模型的

7、可靠性。
　　銑削鈦合金過程中，在切削力和切削熱的耦合作用下，刀具很容易出現(xiàn)磨損。本文通過觀察大量實驗現(xiàn)象，分析了在熱力耦合作用下硬質合金刀具的磨損形貌，闡述了硬質合金刀具磨損機理;基于磨損刀具的微觀組織、化學成分以及物理性能變化的檢測，討論了元素擴散對硬質合金刀具物理性能的影響;利用Fick擴散定律對硬質合金刀具材料與鈦合金Ti6Al4V之間的擴散現(xiàn)象進行理論分析與計算;基于以上工作，分析了溫度效應對于硬質合金刀具磨損機理的影響