钛合金高速切削切屑形成机理的有限元分析
高速铣削钛合金薄壁件切屑形成机理及刀具磨损研究
高速铣削钛合金薄壁件切屑形成机理及刀具磨损研究随着机械制造业的快速发展,高速铣削技术已被广泛应用于航空航天、汽车等行业,提高铣削加工的效率和质量成为亟待解决的问题。
作为一种典型的难加工材料,钛合金的加工效率低下严重制约着航空航天事业的发展。
高速铣削加工钛合金薄壁件容易产生锯齿形切屑,切屑锯齿化会导致铣削力波动,力的波动引起刀具系统振动,进而会导致工件加工表面质量恶化,同时加剧刀具磨损。
因此,研究高速铣削加工钛合金薄壁件锯齿形切屑的形成机理有助于认识高速铣削的本质,提高钛合金零件的加工表面质量、铣削加工效率及刀具寿命。
本文采用理论分析与实验研究相结合的方法,对高速铣削钛合金薄壁件锯齿形切屑的形成机理及刀具磨损进行研究,主要研究内容如下：(1)对切屑锯齿化临界条件进行了理论分析,在平行剪切模型的基础上推导出切屑锯齿化临界条件的理论公式；然后对锯齿形切屑的几何形状进行表征,得出锯齿单元各边尺寸的理论公式；最后推导出锯齿形切屑绝热剪切带间距的理论公式。
(2)对钛合金薄壁件进行高速铣削加工实验,将不同铣削参数条件下切屑宏观形态及铣削力进行观察与测量,总结出铣削参数对切屑宏观形态和铣削力的影响规律。
(3)利用扫描电镜对切屑自由表面、背面及纵截面的微观形貌进行观察,并利用金相显微镜对绝热剪切带进行观察,分析了铣削参数对切屑微观形貌及绝热剪切带的影响规律。
(4)利用显微硬度计对切屑纵截面显微硬度进行测量,研究了铣削参数及绝热剪切作用对切屑纵截面显微硬度的影响规律。
(5)对切屑长度和宽度随铣削参数的变化规律进行研究,可以从侧面反映铣削参数对刀具磨损的影响；然后利用扫描电镜对刀具磨损形貌进行观察,分析了涂层硬质合金刀具高速铣削钛合金时的磨损机理,为刀具优化设计提供一定的参考。
TC4钛合金切削过程的有限元模拟
TC4钛合金切削过程的有限元模拟钛合金是一种具有优良性能的金属材料，广泛应用于航空航天、船舶制造、医疗器械等领域。
然而，由于其高强度和难切削的特性，钛合金切削过程中常常面临着刀具磨损、切削力过大、表面质量差等问题。
因此，利用有限元模拟方法对钛合金切削过程进行研究具有重要意义。
钛合金切削过程的有限元模拟可以分为三个主要步骤：建立模型、定义材料属性和切削条件、进行仿真分析。
首先，建立模型是有限元模拟的首要任务。
通常情况下，可以采用三维固体模型来描述钛合金工件。
在建立模型时，需要考虑切削区域的几何形状和切削刀具的位置。
此外，还需要注意钛合金的非线性行为和切削过程中材料去除的位置、方向等因素。
其次，定义材料属性和切削条件是模拟分析的基础。
钛合金的材料属性包括弹性模量、屈服强度、切削硬化指数等。
这些参数需要通过实验或文献数据进行获取，并在模型中进行设定。
切削条件包括切削速度、切削深度和进给率等，这些参数直接影响切削力和刀具磨损。
最后，进行仿真分析是利用有限元模拟方法得出钛合金切削过程中的关键信息。
主要包括切削力、温度分布和变形等。
切削力是评估切削过程中刀具负荷的重要指标，可以用来评估加工性能和刀具寿命。
温度分布可以用来评估加工过程中材料热变形、刀具磨损和冷却效果等。
变形分析可以提供切削过程中工件形状和表面质量的信息。
在实际应用中，钛合金切削过程的有限元模拟可以帮助优化刀具设计、切削参数选择和冷却系统设计。
通过调整切削条件和改进刀具形状，可以降低切削力、提高表面质量，从而提高加工效率和降低成本。
总之，钛合金切削过程的有限元模拟是一种有效的工具，可以帮助优化加工过程和提高产品质量。
随着材料科学、数值计算和计算机技术的不断进步，钛合金切削过程的有限元模拟将在未来发挥更大的作用。
高速切削TC4钛合金表面残余应力的有限元分析
2012年切削先进技术研究会（东北区）学术、技术会议*脚注高速切削TC4钛合金表面残余应力的有限元分析姜增辉1王晓亮2（1 沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳110159）（2 沈阳理工大学机械工程学院，辽宁沈阳110159）关键词：TC4钛合金表面残余应力高速切削有限元分析一、研究背景TC4（Ti6Al4V）钛合金以其优良的组织和力学性能在航空、航天工业得到了广泛应用，由于很多零件为薄壁件，已加工表面残余应力的状态对零件使用的安全性和寿命有着重要影响。
二、实验条件与方法本文利用商业切削仿真软件建立了高速切削TC4钛合金的三维有限元模型（如图1），研究了刀具（YG8）几何角度对已加工表面残余应力分布的影响。
在所建立的的仿真几何模型的工件中某一处沿深度方向发射一个X射线探测柱（如图2所示），提取线柱内节点单元的残余应力数据，便可以计算出不同深度时工件表面残余应力的分布情况。
图1 三维切削几何模型图2 软件提取工件表面残余应力原理图3 残余应力沿着深度方向的分布情况在切削速度ν=140m/min；切削深度a p=1mm；进给量f=0.15mm；刀具前角γ0=5°；刀具后角α0=5°；刃口半径r=0.03mm条件下进行仿真，研究了TC4已加工表面残余应力沿着深度方向的分布情况（如图3所示）。
在切削速度ν=140m/min；切削深度a p=1mm；进给量f =0.15mm的切削条件下，分别改变刀具的前角γ0（γ0分别为0°、5°、8°、10°、15°）；后角α0（α0分别为5°、10、12°、15°、20°）；刃口半径r（r 分别为0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm）研究了残余应力最大值的分布情况（如图4所示）。
三、实验结果及结论1、仿真曲线图：图4 刀具前角、后角、刀尖刃口半径对残余压应力最大值影响曲线2、结论：（1）已加工表面里层产生了残余拉应力，而在其表层产生残余压应力。
【开题报告】Ti6Al4V切削过程有限元分析
开题报告机械设计制造及其自动化Ti6Al4V切削过程有限元分析一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义1.[国内外研究动态]近几十年随着钛合金的广泛应用，国内外在钛合金切削加工领域进行了大量的研究工作，并取得了一系列的进展。
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条件下切削钛合金工件的表面质量。
研究发现，采用CBN刀具加工钛合金，已加工表面粗糙度比未涂层的硬质合金的要低，工件表面质量较好。
Wang等人采用未涂层细晶粒和普通晶粒硬质合金刀片连续和断续在传统速度和高速下切削钛合金。
在他们的研究中，细晶粒硬质合金刀具材料有着较高的抗磨损性，适合于断续切削钛合金。
C.H.che-Haron研究了硬质合金刀具在不同切削速度下切削钛合金的工件表面完整性。
研究发现，在干切削条件下，切削时间较长时，加工表面会出现一些撕裂和塑性变形。
并且表面加工硬化也很严重。
在刀具磨损和刀具寿命方面，满忠雷等人在干切削和氮气介质下用硬质合金低速（v=30-60m/min）铣削钛合金，证明在氮气介质中刀具的磨损要比干切削时的磨损要小，刀具寿命提高一倍；在氮气介质下切削钛合金时刀具的磨损形式主要有机械磨损、粘结磨损、氧化磨损、扩散磨损烧伤、剥落、微观裂纹。
马光峰等铣削BT20钛合金材料，通过电镜扫描分析刀具的磨损主要是前刀面的月牙洼磨损，后刀面的粘结磨损和化学磨损，以及边界磨损。
Jiang和Shivpuri发现在用硬质合金刀具加工钛合金时，月牙洼磨损是影响刀具寿命和生产率的的主要磨损形态。
他们把月牙洼磨损率与在切削热作用下钴元素从刀具扩散到钛合金切削中联系起来，建立了包括热传导-扩散过程的刀具磨损模型，还建立了切削过程中刀削接触面非等温条件下的粘塑性有限元模型。
在冷却液等切削介质的影响方面，E.O.Ezugwua等人研究发现在低速下，切削区域温度相对较低，冷却液的效果相当明显，有润滑、减小摩擦系数、降低切削力和刀具磨损率的作用。
TC4钛合金切削过程的有限元模拟
TC4钛合金切削过程的有限元模拟钛合金作为一种重要的工程材料，在航空、航天、医疗和汽车等领域具有广泛的应用。
在加工过程中，钛合金具有高硬度、高耐热性和高切削难度等特点，给加工过程带来了一定的挑战。
因此，采用有限元模拟方法来研究钛合金切削过程的机理和优化切削参数，可以提高加工效率和质量。
钛合金切削过程的有限元模拟主要包括建立切削模型、材料热力学模型、切削力模型和刀具磨损模型等几个方面。
首先，在钛合金切削过程的有限元模拟中，需要建立一个完整的切削模型，包括被加工工件、刀具和夹持装置等。
通过二维或三维建模软件，将实际的切削过程转化为数值模拟的切削过程。
同时，针对钛合金的特点，还需要考虑材料的非线性、蠕变和热膨胀等因素。
其次，钛合金切削过程中温度场和应力场的分析对于提高加工效率和减少刀具磨损至关重要。
通过建立材料的热力学模型，模拟切削过程中的热源和热辐射等因素。
同时，考虑切削过程中的塑性变形和应力分布，可以预测材料的变形和切削力。
此外，钛合金切削过程中的切削力是评价切削性能的重要指标。
通过建立切削力模型，可以预测切削力大小和方向的分布。
切削力模型中需要考虑切削速度、进给速度和切削深度等对切削力的影响，并得出最佳的切削参数，以提高切削效率和保证刀具寿命。
最后，钛合金切削过程中刀具磨损对于加工质量和成本控制有着重要的影响。
通过建立刀具磨损模型，可以预测刀具的磨损情况和寿命。
刀具磨损模型中需要考虑切削速度、进给速度和切削深度等因素对刀具寿命的影响，并提出最佳的刀具选择和切削参数，以延长刀具的使用寿命，减少更换次数和成本。
综上所述，钛合金切削过程的有限元模拟可以帮助研究钛合金切削机理和优化切削参数，提高加工效率和质量。
通过建立切削模型、材料热力学模型、切削力模型和刀具磨损模型等，可以预测温度场、应力场、切削力和刀具磨损等关键参数，为钛合金切削的优化和控制提供科学依据。
钛合金TC4高速切削刀具磨损的有限元仿真_陈燕
式中：G为材料常数；V为相对滑移速度。
1.2 粘结磨损
切削钛合金时，由于钛合金的亲和力大而使
摩擦表面的接触点容易相互粘结，在相对运动
下，带走刀具材料从而造成粘结磨损,而且刀-屑
接 触 长 度 小 ， 导 致 接 触 面 间 的 压 应 力 达 到 GPa
级，超过了工件材料的屈服极限，因此，切削钛
合金时其粘结磨损非常严重。针对粘结磨损，国
引用格式：Chen Y, Yang S B, Fu Y C, et al. FEM estimation of tool wear in high speed cutting of Ti6Al4V alloy. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2013, 34(x): xxx-xxx. 陈燕，杨树宝，傅玉灿，等．钛合金 TC4 高速切削刀具磨损的有限元仿真．航空学报, 2013, 34(x): xxx-xxx.
A
exp
⎛ ⎜⎝
−B T
⎞ ⎟⎠
(3)
式中： dWa 为滑移 dL 距离后的磨损量；而 σt 为刀 屑接触面上的正应力；A及B均为材料常数。方程
两边同除以磨损时间 dt ，则方程变为：
陈燕等：钛合金 TC4 高速切削刀具磨损的有限元仿真
3
dWa dt
=
Aσ
t
V
exp
⎛ ⎜⎝
−B T
⎞ ⎟⎠
(4)
由公式(4)可以看出，单位时间内的磨损量与
敛的特点，计算中使用网格重画的功能解决工件
变 形 严 重 的 问 题 。 钛 合 金 TC4 工 件 尺 寸 为
16×8mm，刀具与工件均设定为弹塑性体。工件
高速车削钛合金的硬质合金刀具磨损机理研究
高速车削钛合金的硬质合金刀具磨损机理研究随着科技的不断发展，钛合金作为一种优良的结构材料，已被广泛应用于航空航天等重要领域。
然而，由于其高硬度、高强度等特性，对于钛合金的高速车削加工要求刀具具有更高的耐磨性和切削寿命。
因此，针对钛合金的高速车削加工，研究硬质合金刀具的磨损机理，具有重要的现实意义和科学价值。
针对高速车削钛合金的硬质合金刀具磨损机理研究，本文进行了详细的探讨和分析。
首先，介绍了钛合金的特性及其在航空航天领域的应用。
随后，引入了硬质合金刀具的相关知识，包括其材料组成、制备工艺和性能特点等。
然后，结合高速车削的原理，对硬质合金刀具在高速车削钛合金时的磨损机理进行了深入的分析。
主要涉及以下几方面：1.机械磨损：由于钛合金的高硬度和强韧性，使得硬质合金刀具在切削时会遭受较大的冲击和摩擦力，导致刃口和刀柄表面出现划痕、磨损和细微裂纹等，降低了刀具的整体性能。
2.热磨损：高速车削钛合金时，由于刀具接触表面温度过高，导致刀具的表面产生热态变化，发生氧化脱碳、软化变色等现象，并在刀具切削区附近形成高温流动区，使得切削液不能有效冷却，导致刀具热变形和损伤，严重影响了刀具寿命和效率。
3.化学磨损：钛合金具有一定的化学反应性，容易与气氛中的氧化物和水分发生反应，导致表面出现粘附、脱落、转化等化学磨损现象，严重降低了刀具的稳定性和耐磨性能。
最后，本文提出了几点切实可行的改进措施，以增强硬质合金刀具在高速车削钛合金时的耐磨性和切削寿命。
如大幅降低刀具表面温度、采用气体润滑冷却技术、优化刀具几何形状和涂层材料等，这些改进措施对提高刀具的生产效率、降低成本和实现可持续发展具有积极意义和深远意义。
综上所述，高速车削钛合金的硬质合金刀具磨损机理研究是一个复杂而又实用的问题，需要深入研究和不断探索，以满足工业生产的不断需求和社会发展的要求。
本文在研究高速车削钛合金的硬质合金刀具磨损机理的基础上，还对现有的一些研究成果进行了总结和分析，旨在为相关领域的研究者提供参考和借鉴。
基于ABAQUS的钛合金切削有限元分析
（） ２
随应变 率和 温度 变 化 的应力 应变 关 系 ，才能准 确 的描 述 材 料 在 切 削 加 工 过 程 中 的 弹 塑 性 变 形 特 性 ， 因此 进 行 数值 仿 真 必 须给 出准 确 的材 料 参
为接 触面 的滑 动剪切 应力 ；／ 为摩 擦系 ２ 为接 触面 上 的压 力 ； 为 材料 的临 界屈服
式 中，第 一项 描述 了材 料 的应变 强化 效应 ；第 二 项 反 映 了流 动 应力 随对 数应 变速 率增 加 的关 系 ； 第 三 项反 映 了流动应 力 随温 度升 高 的指 数 降低 的 关系 。 、 分别表 示参 考应变 速率 和参 考温 度 ， 为材 料熔 点 。式 中 、 Ｂ 、 ｎ、 Ｃ 、 ｍ是 ５
Ａ ａｕ ｂｑ ｓ中 Ｊ ｈ ｓｎＣ ｏ ｏｎ ｏ— ｏｋ模 型使用 的为动态
断裂失效模型，并且把应变、应变率、温度和压 力考虑到破坏准则中，该模型基于单元积分点的 等 效塑 性应 变 ，当材料 失效 参数 超过 １时 ，假
定为材 料 失效 ，失效 参数 定义 如下 ：
Ａ＂ ＋］ Ｂ Ｅ
个待定参数 ；
、Ｂ、， ｚ 表征材料应变强化项系
数 ；Ｃ表 征材 料应 变速 率强化 项 系数 ； ｍ表 征材 料 热 软化系 数 。 钛合 金 Ｔ ４中 Ｊｈ ｓｎ Ｃｏ 型 Ｃ ｏｎ ｏ－ ｏｋ模 的材料 参数 如下表 １所示 。
表 １钛合金 Ｔ ４ ｏ ｎｏ ． ｏ ｋ模型材料参数 Ｃ ｈ ｓｎＣ ｏ Ｊ
机 电技术
２１ 年８ ０１ 月
基 于 Ａ ＡＱ Ｂ ＵＳ的钛合金切 削有 限元分析
孔虎星 郭拉凤 尹晓霞
（ １中北大学 机电工程 学院，山西 太原 ０ ０ ５ ；２洪都航空工业集 团 ６ ０所，江 西 南 昌 ３ ０ ２ ） ３０１ ５ ３０４ 摘 要 ：基于弹塑性的有限元理论建立了钛合金的二维切 削模型 ，运用通用有 限元软件 Ａ ＡＱ Ｂ ＵＳ对 钛合 金的切 削
钛合金Ti-6Al-4V切削加工有限元模拟研究
钛合金Ti-6Al-4V切削加工有限元模拟研究发布时间：2022-06-08T05:24:58.532Z 来源：《中国科技信息》2022年第4期作者：朱文慧姬芳芳[导读] 钛合金切削加工是一个复杂的过程，影响切削加工表面质量、加工精度的因素有很多，朱文慧姬芳芳郑州经贸学院摘要：钛合金切削加工是一个复杂的过程，影响切削加工表面质量、加工精度的因素有很多，而切屑的形成和切削力是影响切削加工的重要因素之一。
本文通过ABAQUS建立钛合金切削加工有限元模型，分别改变刀具前角、切削深度和振动频率，得出了改变这些参数对钛合金切削中切削力的影响，为实际加工中切削参数优化提供理论依据。
为了研究切削过程中有限元模拟的有效性，通过改变切削要素对工件的切屑和切削力的影响结果进行分析，结果表明：有限元模型能够准确地模拟切削过程中钛合金工件产生的切屑变形和表面形貌变化，从而验证了有限元模型的正确性。
关键词：钛合金有限元切削力表面形貌1 引言钛合金材料具有比强度高、比热度高、抗腐蚀性好以及具有良好的导电导热能力，这些优良性能在航空航天、化学器械、石油化工、食品加工、汽车、船舶、核工业等领域得到了广泛的应用[1]。
然而钛合金具有高温化学活性高、导热系数小、摩擦系数大、弹性模量低等特点，导致其难以加工[2]。
通常在有冷却液的环境中采用较低的切削速度来加工钛合金，但加工效率很低，切削成本提高。
因此，国内外学者在如何提高钛合金加工效率，进行了大量的研究[4]。
钛合金切削加工过程中，影响工件表面质量的因素有很多，而切屑的形成和切削力是影响切削加工的重要因素[3-4]。
本文选用ABAQUS对钛合金的切削进行仿真，建立了刀具与工件关于切削力的理论模型、摩擦模型，研究钛合金切削过程改变刀具前角、切削深度、振动频率对切屑的影响，分析过程中的切削力的变化，为确定最佳的切削参数提供参考。
2 三维钛合金切削有限元模型2.1工件材料模型本文选用的是Johnson-Cook本构模型[5]，该模型能够描述材料在高应变率下的热粘塑性变形行为，在高应变速率下表现为应变强化、应变速率强化和热软化强化，Johnson-Cook 模型如公式 (1)所示：(1)式中表示材料的应变硬化效应；ε和表示等效塑性应变和应变率；表示参考应变率；表示参考温度；表示材料熔点；其中A、B、C、n、m 代表五个待定参数，A、B和n表示材料应变项系数，C表示材料应变率强化项系数，m表示热软化系数；其中本文取=0.001，=20℃。
车削加工钛合金过程的有限元模拟金属加工等专业毕业设计毕业论文
车削加工钛合金过程的有限元模拟摘要改革开放以来，由于生产技术的不断提高，各种材料得到了充分利用，特别是钛合金的开发利用，正越来越多的应用在生产生活的各个方面。
但由于其特殊的材料性能使其加工效率比较低下，加工成本较大。
因此研究钛合金的切削性能，提高加工效率具有重要的意义。
本文对钛合金的切削性能进行了研究。
金属切削过程是一个十分复杂的过程，切削工艺主要是通过刀具在材料表面切除多余的材料层来获得理想的工件形状、尺寸以及表面光洁度的机械加工方法。
切削过程的建模和仿真在改进切削刀具的设计和优化切削参数方面有很大的发展潜力。
有限元法逐渐成为切削过程的研究和仿真的一种有效手段。
本文的目的之一就是建立一个切削过程仿真的有限元模型，预报切削力和切削温度。
在预先收集工件流动应力数据和在高应变率和高温下的摩擦系数的基础上，利用有限元软件DEFORM-3D仿真切削过程。
分析了切削过程中切削温度的变化规律。
关键词：车削，钛合金，有限元，DEFROM-3DFinite Element Simulation of Turning Titanium AlloyProcessABSTRACTSince the reform and opening, due to production technology unceasing enhancement, All kinds of materials especially the most use of exploitation and utilization of titanium alloy, got fully used, and is increasingly being used in the production of all aspects of life．However，because of its unique material properties，we can not get better processing efficiency and lower processing costs. Therefore，it’s of great significance to study machinability of titanium alloys for improve the processing efficiency．In this paper, the cutting performance of the titanium have been researching. Metal-cutting process is a very complex process. Turning operations are performed to modify shape, dimension, and surface roughness of a workpiece cutting away from it several layers of material. Modeling and simulation of cutting processes have the potential for improving tool designs and selecting optimum conditions．Finite element method is becoming one of method to research and simulate the curing processes．The one objective of this study was to develop a FEM model for simulating the cutting process in turning and predict curing forces and temperatures using finite element analysis．On the basis of pre-data collection of the workpiece flow stress and high strain rate and high temperature friction coefficient, Simulation of cutting process is set up by using of finite element software DEFORM-3D. Analyze the cutting temperature changes of the cutting process.KEY WORDS: Turning , Titanium Alloy, Finite element, DEFROM-3D目录前言 (1)第1章钛合金的性能及应用 (4)1.1 钛合金的化学性能 (4)1.2 钛合金的切削特点 (6)1.3 钛合金的应用现状 (7)第2章车削钛合金实验结果分析 (9)2.1 实验相关材料 (9)2.1.1 工件材料 (9)2.1.2 刀具材料 (9)2.2 实验方案 (9)2.3 实验结果及分析 (10)2.3.1实验结果 (11)2.3.2 结果分析 (12)第3章钛合金车削有限元仿真 (15)3.1 有限元分析方法过程 (15)3.2有限元软件DEFORM-3D介绍 (15)3.3 DEFORM-3D中应用加工向导模块进行车削仿真的基本步骤 (17)3.4 DEFORM-3D中切削加工过程有限元模型建立的主要注意点 (18)3.4.1 网格划分的设置 (18)3.4.2 切屑的分离标准设定 (19)3.4.3 材料模型的建立 (20)3.4.4 速度边界条件的确定 (20)3.4.5 时间步长的确定 (20)第4章仿真分析 (22)4.1 概述 (22)4.2 不同切削条件下的切削力仿真 (22)4.3 不同切削条件下的切削温度仿真 (25)4.4切削力的仿真结果与实验结果的对比 (27)第5章车床主轴箱及夹具设计 (29)5.1 车床主轴箱的设计 (29)5.1.1确定极限转速 (29)5.1.2确定公比 (29)5.1.3求出主轴转速级数 (29)5.1.4确定结构网和结构式 (29)5.1.5绘制转速图 (31)5.1.6确定公比齿轮齿数的确定 (33)5.1.7传动系统图的拟定 (34)5.2 夹具设计 (35)5.2.1 零件分析 (35)5.2.2 定位基准的选择 (36)5.2.3切削力和夹紧力的计算 (36)5.2.4定位误差分析 (37)结论 (38)谢辞 (39)参考文献 (40)外文资料翻译 (42)前言一、钛合金切削研究现状钛是20世纪50年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。
Ti6Al4V高速切削过程有限元模拟及切削参数优化
Ti6Al4V高速切削过程有限元模拟及切削参数优化钛合金材料力学性能优异,并且耐腐蚀性好材料密度较低,因此是航空航天工业零部件生产中主要的消费材料。
然而由于钛合金的弹性模量小、高温化学活性高和导热系数低等特性,又使得钛合金成为一种较为典型的难加工材料。
在钛合金材料的高速切削加工过程中,很容易出现切削温度过高的情况,这会导致工件表面质量难以控制、切削刀具磨损加快,而降低切削速度又会引起加工效率下降不利于生产。
同时,大型的航空零件在设计时大多以整体设计特点为主,生产加工时多数材料都要从工件毛坯中切除,这就引起工件加工成本较高。
尽管,通过3D打印技术生产出来的钛合金零件在一些特殊领域得到应用,但是由于成本很高并不适合大规模生产。
所以,实现钛合金的快速、高效切削加工是目前航空制造工业领域中迫切需要解决的问题。
本文主要是从刀具几何参数的角度去解决钛合金Ti6A14V加工中的切削力过大和切削温度过高的问题,以尽可能降低切削温度和切削力为目标,从而求得优化后的刀具几何参数组合。
本文通过对钛合金材料高速切削研究现状和高速切削加工理论进行研究,了解到切削过程有限元模拟的一些关键技术。
对刀-屑摩擦模型、切屑分离准则、材料本构模型等关键技术分析后,利用专业的切削仿真软件AdvantEdge建立了硬质合金材料刀具高速切削钛合金Ti6A14V的三维正交切削有限元模型,并通过变换刀具几何参数(前角γ0、后角α0、钝圆半径rε)进行模拟仿真得到不同参数组合下的切削力与切削温度数据,分析得出了各个参数对切削力与切削温度的影响规律。
利用二阶响应面法对仿真模拟得到的不同刀具几何参数下的多组切削温度与切削力数据进行拟合,得到了刀具几何参数与切削温度和切削力之间的函数关系模型。
然后,在对刀具几何参数的取值范围进行约束的基础之上,利用遗传算法优化程序优化计算,得到了适合Ti6A14V材料的硬质合金材料刀具几何参数组合。
该参数组合下切削温度的数值范围都在较为合理的范围内,远离了硬质合金的软化温度,能够充分的发挥刀具的切削性能。
TC4钛合金切削过程的有限元模拟
TC4钛合金切削过程的有限元模拟TC4钛合金因其优异的综合性能，在航空航天、汽车制造等领域得到了广泛应用。
而钛合金的切削加工一直是一个具有挑战性的过程，原因在于其高硬度、高切削温度和高切削力等特性。
为了改进切削过程的效率和品质，有限元模拟成为一种有效的工具。
下面，我们将对TC4钛合金切削过程的有限元模拟进行详细介绍。
有限元模拟是一种基于数值方法的模拟技术，将实际的切削过程转化为数学模型，并利用计算机软件对其进行求解和分析。
通过有限元模拟，我们可以预测切削过程中的切削力、切削温度和切削变形等参数，从而优化切削过程的参数和工艺。
首先，我们需要建立切削过程的有限元模型。
模型的建立需要考虑切削刀具、工件和切削区域的几何形状和材料特性等因素。
在切削模型中，采用实体元素表示切削刀具和工件，并将切削区域离散化为小网格。
对于TC4钛合金的材料特性，我们需要考虑它的塑性变形、热传导和变形硬化等因素。
接下来，我们需要定义切削过程的边界条件。
边界条件包括刀具的加工速度、切削深度和进给速度等参数。
同时，还需要考虑切削液的冷却效果和摩擦系数等因素。
这些参数将直接影响切削过程中的切削力和切削温度。
有限元模拟过程中，我们需要选择合适的切削模型和数值求解方法。
切削模型一般包括切削力模型、切削温度模型和切削变形模型等。
对于TC4钛合金的切削过程，我们可以选择Johnson-Cook模型或者经验公式来描述切削力和切削温度的变化。
数值求解方法一般采用有限元软件进行计算，如ANSYS、ABAQUS等。
最后，我们需要对有限元模拟结果进行验证和分析。
模拟结果包括切削力、切削温度和切削变形等物理量的分布和变化规律。
通过与实际切削加工结果的对比，可以评估模拟的准确性，并进行参数优化和工艺改进。
总结起来，TC4钛合金切削过程的有限元模拟是一种重要的工艺优化工具。
通过模拟，我们可以预测切削过程中的切削力、切削温度和切削变形等参数，从而优化切削过程的参数和工艺。
TC4钛合金切削过程的有限元模拟
ห้องสมุดไป่ตู้
式中第一项描述了材料的应变强化效应，第二 项反映了流动应力随对数应变速率增加的关系，第 三项反映了流动应力随温度升高指数降低的关系。 Tm、 Tr 分别表示参考应变速率和参考温度， Tm 为材 料熔点。式中 A、B、n、C、m、D、k 是 7 个待定 参数；A、B、n 表征材料应变强化项系数；C 表征 材料应变速率强化项系数； m 表征材料热软化系数； t , m 分别为常温材料熔点。
图 2-1
2.创建工件模型，在弹出的如图 2-2所示的对 话框中，设定模型的名称为 Base，在建模空间选项 中选择 2DPlanar，类型选择 Deformable，基本特征 选择 Shell， 近似尺寸选择 0.01。 点击 Continue 进入 绘制草图步骤。
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1.1 TC4 钛合金切削模型建立的假设 在实际加工钛合金的过程中，会有很多影响加 工过程的因素，这些因素多而且复杂，所以建立有 限元分析的过程非常复杂， 所以为了简化建模过程， 必须对其进行简化，本文中的有限元模型是建立在 以下基础之上的： (1) 刀具是刚体，足够坚硬和锋利，在切削过 程中不发生变形； (2) 被加工的材料是各向同性的，且加工过程 中不出现金相组织变化以及化学成分变化等； (3) 刀具宽度远大于切削宽度，切削过程按照 平面切削进行模拟； (4) 加工过程中不发生刀具及工件的振动。 1.2 TC4 的 Johnson-Cook 本构模型 材料的本构模型一般用于对材料的力学性质的 描述，表示材料在变形过程中的动态部分的响应。 当材料的微观组织结构确定时，变形速度、变形剧 烈程度及变形温度等将会非常明显地影响变形应 力， 所以材料本构模型用流动应力与应变、 应变率、 温度等变形参数之间的数学函数关系来进行表示。 建立材料的本构模型， 是进行材料塑性研究的基础， 同时对材料的加工工艺的制定具有较大的指导意 义。在现代塑性力学研究中，有限元分析是其基础 方法，因此材料流动应力的精准程度是影响分析准 确性的关键。在研究钛合金高速切削的过程中，我 们必须建立准确的材料的本构模型，这是我们进行 切削加工模拟的基础环节，因为只有明确了应力应 变随温度变化的关系，才能够抓住材料在切削加工 过程中塑性变形关系，由此才能在建立边界条件， 施加载荷之后，得到准确的仿真结果。 在对钛合金进行高速切削的过程中，工件会在 高温高压下发生大幅度的弹塑性变形，同时，因为 弹塑性变化过程非常迅速，因此应变、应力以及温 度变化的梯度很大，找到一个合适的能表示这个过 程的本构方程非常关键。现在常用的塑性材料本构 模 型 主 要 有 ： Bodner-Paton 、 Johnson-Cook 、 Follansbee-Kocks、Zerrilli-Armstrong 等模型，而只 有 Johnson-Cook 模型描述材料高应变速率下热粘 塑性变形行为[1]。 Johnson—Cook 模型认为材料在高
对钛合金TC17材料高速切削的有限元分析
基于合力的平衡即R′=R，方向相反，上式中：F C为水平分力；F T为垂直分力，的剪切力；F N为剪切面的法向力；F为前刀面的垂直分力；ϕ为剪切角，而刀具的前刀面的平均摩擦角u为刀屑间平均摩擦系数。
则刀尖处的最大正应力σ为：上式中：σ：刀尖处的最大正应力；τ：剪切摩擦应力；为切削厚度；ζ为幂指数。
根据文献10可知，此处选择ζ=2。
刀具切屑间的接触长度l为：2有限元仿真的建模与设置切削的模拟过程不可能将实际情况完全考虑，切削过程进行相应的基本假设。
切削过程中材料的失效遵循J-C失效模型，————————————————————作者简介:史寅栋（1991-），男，山西运城人，装备有限责任公司，主要从事机械结构设计。
图1直角切削模型的平衡力系图4切削速度对切削刀尖处应力的影响图3完整切削过程中各处最大应力值对比仿真结果对比分析切削过程中的应力变化通过二维切削模型的建立，对钛合金的高速切削进行对刀尖与切屑及已加工表面的最大应力大小进行以切削速度1m/s 的切削模型为例，对钛合金材料进行切削过程仿真，各处的最大应力值分别如图3所示。
从图3中可以看出刀尖处的材料以及切屑的最大应力已经超过钛合金材料的最大屈服强度，已加工表面在屈服强度内，分别对应金属切削的三个变形区。
切屑与已加工表面的应力变化基本趋于稳定，而刀尖处的最大应力从切削的过程中可以看出是随着切屑的形成而变化，当切屑处于绷断则应力较小。
在切削1.5ms 时候会出现一个转折极点，通过切削过程云图可知此时切屑处于一个绷断状态，刀具与材料接触面减少，切削的应力减小。
3.2高速切削速度的影响在载荷中对材料的切削速度进行设置，以切削速度过渡区域与高速区域进行对比分析，各个速度分段分别为：①过渡切削速度区域：60-120m/min （间隔为20m/min ）；②高速切削速度区域：180-360m/min （间隔为60m/min ）。
在ABAQUS 中需统一换为对应的国际单位m/s 。
高速切削锯齿形切屑的试验研究与有限元模拟
高速切削锯齿形切屑的试验研究与有限元模拟高速切削是解决难加工材料加工的最有效手段之一,而难加工材料的锯齿形切屑试验研究是高速切削基础理论研究领域的重要组成部分。
本课题以钛合金和镍基高温合金两种工件材料为研究对象,采用切削试验和有限元模拟相结合的方法,对这两种材料锯齿形切屑的形成过程、演变机理及锯齿形切屑几何表征与切削用量关系展开了深入研究。
锯齿形切屑是高速切削加工过程中切屑的典型特征,在切削过程中它不仅会导致切削力在切削稳态下高频率的波动,还会使刀具的磨损和破损加剧,从而降低刀具寿命和已加工表面质量。
因此,对锯齿形切屑的实验研究有助于优化切削工艺,提高刀具寿命,保证已加工表面质量。
首先,通过钛合金Ti6A14V和镍基高温合金的切削试验,对切屑的宏微观形态和切削力进行了研究分析。
结果表明：切屑螺旋外径随着切削速度和进给量的提高而增大。
切削力随着进给量、背吃刀量的增大而增加,随切削速度的增加而减小。
建立了切削力的经验公式,并通过对比分析验证了其正确性。
锯齿化程度、锯齿化步距随切削速度、进给量和背吃刀量的增加而增大,锯齿化频率随进给量的增加而减小,随切削速度和背吃刀量增加而增大；绝热剪切带随着切削速度的提高而具有从形变带到转变带再到带裂纹转变带的转化趋势。
其次,利用ABAQUS软件建立了镍基高温合金的正交切削有限元模型。
几何模型采用设置剪切损伤区而不单独设置分离线的方法,材料本构关系选用能正确反映材料本质属性的Johnson-Cook本构模型；通过切削力和切屑形态的对比分析,验证了该模型的正确性。
最后,通过试验与模拟的对比分析,研究了锯齿形切屑形成过程及机理。
结果表明：锯齿形切屑的演变过程由锯齿雏形、锯齿雏形到锯齿节块及锯齿节块到锯齿切屑三个形成阶段组成。
温度弱化作用使剪切滑移变形始于切削层下部靠近刀尖区域,并呈尖峰状向切削层顶表面方向扩展；当刀尖处金属发生热塑失稳时,剪切滑移瞬间扩展至切削层顶表面形成了完整的剪切滑移窄带,锯齿雏形形成。
高精度钛合金车削加工表面创成机理研究
高精度钛合金车削加工表面创成机理研究高精度钛合金车削加工表面创成机理研究摘要：随着工业制造的发展，钛合金作为一种重要的结构材料，被广泛应用于航空航天、汽车制造、医疗器械等领域。
在钛合金加工中，车削是一种常用的方式，但其表面质量的要求越来越高。
因此，研究高精度钛合金车削加工的表面创成机理对于提高钛合金加工效率和质量具有重要的意义。
本研究通过实验和理论分析，探究了高精度钛合金车削加工过程中的表面创成机理，并对其影响因素进行了分析与总结。
1. 引言钛合金具有优异的机械性能和耐腐蚀性能，因此在航空航天、船舶、医疗器械等领域得到广泛应用。
然而，钛合金材料的加工难度较大，特别是在高精度车削加工中，表面的质量和加工效率成为制约因素之一。
因此，研究钛合金车削加工的表面创成机理对于提高加工效率和产品质量具有重要的意义。
2. 钛合金车削加工表面创成过程钛合金车削加工表面创成过程是一个相当复杂的物理和化学过程。
切削刃与钛合金表面的相互作用产生摩擦和热量，材料微观结构发生塑性变形和剪切，并最终形成加工表面。
研究发现，表面切削过程中主要存在以下几个阶段：切入阶段、稳定切削阶段、临界切入阶段和离切削阶段。
3. 表面创成机理影响因素的研究3.1 切削速度切削速度是指车削刃单位时间切削旋转的圆周长度，是影响钛合金表面创成的重要因素之一。
较高的切削速度将增加表面温度和切削力，可能导致表面产生热裂纹和划痕等缺陷。
3.2 切削深度切削深度是指车削刃对工件表面的切削深度。
切削深度的增加将导致更大的切削力和切削热量。
合理控制切削深度可以减小加工表面的塑性变形和热影响区，从而提高表面质量。
3.3 切削进给量切削进给量是指车削刃单位时间移动与切削旋转的圈数之比。
过大的切削进给量会导致过高的切削力和温度，进而影响表面质量。
合理的切削进给量可以确保表面切削过程的稳定性，提高加工效率。
4. 表面质量评价指标为了评价钛合金车削加工的表面质量，常用的指标有表面粗糙度、表面硬度和表面残余应力。
钛合金切削加工中的切削力和剩余应力分析
钛合金切削加工中的切削力和剩余应力分析钛合金是一种重要的金属材料，具有重量轻、高强度和耐腐蚀性等优良特性，因此在航空航天、汽车、医疗器械等领域得到广泛应用。
而在钛合金切削加工过程中，切削力和剩余应力分析是非常重要的一个方面，对于切削加工的稳定性和工件质量有着直接的影响。
切削力是指在切削过程中所受到的力的大小和方向。
钛合金的高强度和耐腐蚀性使得其在切削过程中很难形成流畅的切削屑，因此会导致切削力的增大。
此外，钛合金的高热导和低热扩展系数使得切削过程中产生的热量不易散发，进而导致切削温度升高，使钛合金软化，刀具很容易磨损。
因此，准确分析和测量切削力对于切削加工过程的优化至关重要。
切削力的分析可以通过试验和仿真两种方法来实现。
试验方法是将工件固定在切削设备上，通过测力传感器来记录切削过程中所受到的力的大小和方向。
而仿真方法则是通过数值模拟的方式，基于切削力公式和钛合金的性质参数，计算和预测切削过程中所产生的力。
剩余应力是指在切削过程中形成的残余应力。
切削工具在切削过程中对钛合金的材料进行去除，使得其内部产生了应力的重新分布。
剩余应力的存在可能会导致工件的变形、裂纹和材料的疲劳性能下降等问题。
剩余应力的分析同样可以通过试验和仿真方法来实现。
试验方法一般采用衍射仪、X射线衍射仪和应变计等设备来测量工件表面和内部的应力分布情况。
而仿真方法则是通过有限元分析等数值模拟技术，结合钛合金的物理性质和切削参数，计算和预测切削过程中剩余应力的生成和分布。
对于钛合金切削加工中的切削力和剩余应力的分析，可以帮助我们优化切削过程，提高工件的加工质量和效率。
通过对切削力的准确测量和分析，可以选择合适的切削条件和刀具材料，以降低工具磨损和延长刀具寿命。
同时，对剩余应力的分析可以用来预测和控制工件变形和材料疲劳性能，确保加工后的零件具有良好的稳定性和可靠性。
在实际应用中，切削力和剩余应力的分析需要综合考虑切削参数、切削速度、切削深度等因素对切削过程的影响。
【精品】钛合金高速切削仿真研究毕业论文
(此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！)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。
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基于DEFORM的整体CBN刀具切削钛合金的有限元分析（可编辑）
基于DEFORM的整体CBN刀具切削钛合金的有限元分析2012年第46卷 No.10 27DEFMOR CBN基于的整体刀具切削钛合金的有限元分析代宝林 , 周丽 , 黄树涛 , 许立福沈阳理工大学DEFORM -3D CBN ,摘要利用有限元软件对整体刀具车削钛合金进行了三维仿真采用单因素试验法模拟CBN 、。
分析刀具车削钛合金时切削速度背吃刀量和进给量对切削力和切削温度的影响仿真结果表明对切削力影响最大的是背吃刀量,其次是进给量,切削速度的影响最弱。
切削温度方面,切削速度对其影响最大,背吃刀量最小。
关键词钛合金有限元切削力切削温度TG136 +.4 A中图分类号文献标志码Feitin Etenlem Aialsysn of miuanitT Alloy Cginttu hitw Eiretn CBN Bedas on DEFOM RDai Baolin,Zhou Li,Huang Shutao,Xu LifuAtcartsb A three -dimensional finite element model of the titanium alloy turning i w th entire CBN a w s established byDEFORM -3D softa w re. The influence of cutting speed 、 cutting depth and feed rate on cutting force and cutting tempera-ture a w s simulated by single factor epxeriment. Simulated results show that in all facto, rsthe cutting depth i w th mai x mal impact on the cutting for, cethe feed rate is secon, dcutting speed on cutting force the minimum. On the contrary,the cut-ting speed i w th the greatest impact on the cutting temperature and cutting depth on cutting temperature minimum.Ksdrowye TC4 finite element cutting forc ecutting temperature点,聚晶立方氮化硼 PCBN 和聚晶金刚石 PCD1 引言逐渐被使用。
切削力学作业—钛合金切削有限元研究分析
切削力学大作业大连理工大学Dalian University of Technology切削形成过程地有限元仿真分析前言金属成型过程地计算机模拟一直是机械制造领域比较关注地研究方向.一个成功地模拟过程在理论研究上对于分析金属切削地内部机理如切削力、材料应力、材料应变、热场分析以及切削地形状等都有很好地帮助，在实际应用场合中对研究材料地切削性能、刀具地优化设计以及寿命预测也有很好地启示作用.本算例以航空航天中常用材料Ti6Al4V为例，利用abusqus软件建立稳态切削过程地二维有限元模拟，在3种切削速度（50m/min-500m/min）和3种刀具前角（-10°-10°）共9种工况，对Ti6Al4V地切削过程进行了有限元模拟地建立以及仿真模拟分析，讨论了切削速度以及刀具前角地变化对切屑形态以及切削力地影响规律，分析结果对切削钛合金时切削参数地优化具有一定地指导意义.同时，该方法有效避免了欧拉计算法学要先确定切削性状地困难，以及靠材料失效来完成切削地切削不成形问题，并且在仿真上有较大优势.1.有限元模拟建立过程为了简化模型，只对直角正交切削过程建立二维有限元模拟分析，其结果可被推广用于一般切削过程.另外，由于abusqus没有固定单位制，本文采用表一中地系统统一地基本单位，其余单位有其推导.表1本文采用地单位制长度力质量时间温度mm N t(s ℃1.1工件和刀具地模型建立考虑到刀具材料和工件材料相比，刀具材料地强度和刚度都远大于工件，故将刀具做刚性处理，建模时选择2D解析刚体，刀具前角设为10°，具体形状如图1所示.工件尺寸为1mm×2mm,建模时选择2D变形体，具体形状如图2所.图1 图21.2网格划分以及网格工件地创建进入mesh模块，为了获得良好地网格形状，将工件分为上下两个区，如图3所示.图3接下来对工件各边撒种，选择各边，分别设置中子数为100、50、100、50，并设置靠近刀具处地两条边密度偏离系数为5，其效果如图4.图4在mesh control中，选择网络形状为稳定地四边形网络，网络划分技术为便于计算地结构化网络划分技术，如图5所示.设置单元类型为显示、温度位移耦合、二次计算精度，并将沙漏控制选择为relax stiffness,如图6所示.图5 图6设置完成后，划分网格，并将划好地网格创建成网络工件，如图7所示.图71.3为工件赋予材料查地Ti6Al4V材料地基本参数如下表.对于切削过程来说，变形程度很大，所以本构模型地选择适用于大变形地johson-cook模型，其参数如下表创建元素集合以及赋予界面材质，其结果如图所示.图81.4模型装配将刀具和工件两个零件按图10所示进行装配，刀具要非常接近工件，但不能穿透工件，其切削厚度为0.2mm.图91.5定义分析步由于切削过程时间长，变形大，故选择dynamic,explict类型地分析方法，并设置时间为0.0003s,具体见图10.图101.6定义接触为使切削过程顺利进行，需设置两个接触，第一个为刀具和工件地接触，由于刀具在切削过程中要切入工件内部，故要和工件内部材料发生接触，所以将接触地主面选择刀具地外轮廓，接触地从面以节点选择可能可能发生接触地工件内部节点，如图所示图11第二，为使切削能够顺利生长而不是堆积，还需将工件上层外轮廓面定义自接触，如下图所示.图12定义接触属性：图13定义接触对.图141.7施加边界条件图15这里，为了瞬时切削加速度过大，为边界条件设置速度平滑曲线，定义地幅度曲线如下图.图161.8提交分析进入job模块，创建一个job，进行数据分析并提交.其余8种模型地建立与上述方法相同，其切削速度变化分别为1250m/s、2500m/s、5000m/s,其刀具前角变化为0°、5°、10°.因此，一共得到129组模型和9组分析结果.2.仿真结果与分析有限元模型建立好并提交分析后，在后处理中可查看仿真结果.本文针对9组切削过程地应力场、应变场以及切削力进行了着重分析.2.1应力场分析前述三种切削速度和三种刀具前角共9组切削过程仿真结果地应力场分布情况如图所示.图17（切削速度为1250mm/s情况下刀具前角分别为0°、5°、10°地应力场）图18（切削速度为2500mm/s情况下刀具前角分别为0°、5°、10°地应力场）图19（切削速度为5000mm/s情况下刀具前角分别为0°、5°、10°地应力场）从9组切削过程地应力场分布云图中可以看出，切削速度地大小并不影响应力地分布情况，应力较大地区域发生在第一变形区，而在切削厚度为0.2mm时，第一变形区会产生绝热剪切带，导致切削性状为锯齿形，随着刀具前角地增大，切削地锯齿化程度会减小.2.2应变场分析前述三种切削速度和三种刀具前角共9组切削过程仿真结果地应变场分布情况如图所示.图20（切削速度为1250mm/s情况下刀具前角分别为0°、5°、10°地应变场|）图21（切削速度为2500mm/s情况下刀具前角分别为0°、5°、10°地应变场）图22（切削速度为5000mm/s情况下刀具前角分别为0°、5°、10°地应变场）从对数应变地应变场分布情况来看.锯齿切削地两段锯齿分界线处应变较大，最大应变发生在第二变形区，是由于切削底部与前刀面面地剧烈摩擦所致，此处还发现应变随着刀具前角地增大有略微见效地趋势.2.3切削力分析前述三种切削速度和三种刀具前角共9组切削过程仿真结果地切削力曲线如图所示.图23（切削速度为1250mm/s情况下刀具前角分别为0°、5°、10°地切削力曲线）图24（切削速度为2500mm/s情况下刀具前角分别为0°、5°、10°地切削力曲线）图25（切削速度为5000mm/s情况下刀具前角分别为0°、5°、10°地切削力曲线）从9组动态切削力曲线中可以看出，随着锯齿状切削地形成，切削力也随之上下波动.刀具前角越小，切屑锯齿化程度也越严重，动态切削力地波动程度也就越剧烈.3.结论用abusqus有限元分析软件地explict求解器，以应用领域日益广泛地Ti6Al4V材料为研究对象，对其切削过程地应力场、应变场以及切削力进行了仿真分析，得出了以下结论：（1）在钛合金切削过程中，最大应力发生在第一变形区，最大应变发生在第二变形区.（2）钛合金切削性状为锯齿状，且随着刀具前角地减小，切削地锯齿化程度增加，切削力地波动也随之增大.（3）钛合金切削过程中地平均切削力随着刀具前角地增大而显著降低，而切削速度地变化对切削力地影响并不明显.根据上述结论，在Ti6Al4V材料地实际加工过程中，可以适当地提高切削速度，选择较大地刀具前角，从而实现提高加工效率地同时，降低切削力和切削力地波动，进而提高钛合金地加工精度和表面质量.参考文献[1] 张克国刘战强Author. J-C本构参数对绝热剪切影响地敏感性分析[J]. 航空学报. 2011(11):2140-2146.[2] 杨勇，柯映林，董辉跃. 钛合金切削绝热剪切带形成过程地有限元分析[J]. 浙江大学学报(工学版). 2008(03): 534-538.[3] 万熠刘超Author 艾兴Author. 高速切削过程中绝热剪切临界条件地研究[J]. 工具技术.2009(11): 8-10.[4] 李树奎谭成文Author 王富耻Author. 绝热剪切变形局部化研究进展及发展趋势[J]. 兵器材料科学与工程. 2003(05): 62-67.[5] 李红华. 高速切削高温合金有限元模拟及试验研究[D]. 大连理工大学, 2012.[6] 孔虎星，郭拉凤，尹晓霞. 基于ABAQUS地钛合金切削有限元分析[J]. 机电技术. 2011(04):22-23.[7] 吴红兵，贾志欣，刘刚，等. 航空钛合金高速切削有限元建模[J]. 浙江大学学报(工学版).2010(05): 982-987.版权申明本文部分内容，包括文字、图片、以及设计等在网上搜集整理.版权为个人所有This article includes some parts, including text, pictures, and design. Copyright is personal ownership.lzq7I。
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2007年第 1期
·设计与研究 ·
2. 1 基本方程
( 1 )微分平衡方程
σ ij, j
-
收稿日期 : 2006 - 08 - 10;修回日期 : 2006 - 08 - 14 3 基金项目 :国防基础科研基金项目 (A1420060196) ;山东省优秀青年科学家科研奖励基金 (2005BS05006)
作者简介 :陈建岭 (1974—) ,男 ,山东菏泽人 ,山东大学讲师 ,博士研究生 ,主要从事 CAE /CAM 方向研究 , ( E - mail) access_chen@ 163. com;李剑 峰 ,山东大学教授 ,博士生导师 ,主要从事高速加工 、绿色设计与制造等方向研究 , ( E - mail) ljf@ sdu. edu. cn。
图 2 Ti6A l4V 快停试验切屑显微照片 [3 ]
本研究基于周期性断裂理论对钛合金切削加工进 行有限元物理仿真 ,研究钛合金高速切削锯齿状切屑 的形成机理 ,从主剪切区变形区应力状态的改变对裂 纹萌生与扩展的影响角度来解释钛合金高速切削锯齿 状切屑形成的机理 。
图 1 锯齿状切屑的剪切集中形成机理 [2 ]
2007年第 1期
文章编号 : 1001 - 2265 (2007) 01 - 0025 - 04
·设计与研究 ·
钛合金高速切削切屑形成机理的有限元分析 3
陈建岭 1, 2 ,李剑峰 1 ,孙杰 1 ,宋良煜 3 ,徐志平 1
(1. 山东大学 机械工程学院 ,济南 250061; 2. 山东交通学院 ,济南 250023; 3. 成都飞机工业 (集团 )有 限责任公司 ,成都 610092)
本研究应用有限元方法针对钛合金 Ti6A l4V 高速 切削建立了正交切削模型 ,对钛合金高速切削加工切 屑形成的机理进行有限元分析 ,并将仿真分析结论与 相关实验研究进行了对比 ,显示了其合理性 。
1 钛合金高速切削切屑形成机理研究
钛合金具有导热性差 、弹性模量小 、高温化学亲和 力强 、变形系数小以及高速加工易硬化等特点 ,可以在 1. 5 m /m in - 4800 m /m in很宽的速度范围内形成锯齿 状切屑 。当其切削速度达 100 m /m in以上时即进入高 速切削范围 。随切削速度增加 ,其锯齿化程度增加 ,当 速度达到某一限值 ,切屑呈不连续状单元切屑 。然而 目前关于钛合金锯齿状切屑形成的机理尚无统一的结 论 ,主要有两大理论体系 ,即绝热剪切失效理论和周期 性断裂理论 [ 123 ] 。
Fi
=0
(1)
其中
σ ij,
j为应力张量
σ i
j在
j方向的分量 , Fi为
i方
向的体力 。
( 2)速度和应变速率关系
ε ij
=
1 2
( vi, j + vj, i )
(2)
其中 εij为应变速率张量 , vi, j为速度 。
( 3)符合 M ises屈服准则的应力和应变速率关系
S ij =
2k ε εε ij
0 引言
钛合金在航空航天等领域有着日益广泛的应用 , 但由于其固有属性实际切削加工比较困难 ,特别是对 于高速切削情况尤为困难 ,这很大程度上制约了钛合
金的应用水平 。在高速切削特别是自动化加工中 ,切 屑形态对加工过程具有重要的影响 。钛合金周期性锯 齿形切屑的形成相应地会引起切削力周期性的波动 , 影响工件已加工表面质量和刀具寿命 ,从而制约了加 工效率 。因此 ,着手研究钛合金高速切削锯齿状切屑
绝热剪切失效理论从热力学的角度解释锯齿形成 的机理 ,其代表人物有 R. Komanduri等人 [ 2 ] 。该理论 认为剪切区几乎是绝热的 ,剪切区前方的工件温度与 周围环境基本一致 。锯齿状切屑开始形成时处于热传 导 、热对流和热产生速率三者的动平衡状态 ,当切削速 度达到一定值 ,动态平衡遭到破坏 ,从而产生锯齿状切 屑 。锯齿状切屑形成基本上可以划分为两个阶段 ,如 图 1所示 。
( 1. School ofM echanical Engineering, Shandong University J inan 250061, China; 2. Dep t. of J iaotong and Lo2 gistics, Shandong J iaotong University J inan 250023, China; 3. Chengdu A ircraft Industrial ( Group ) Co. LTD. Chengdu 6100920, China) Abstract: Serrated chip may occur easily during m achining titanium alloys. It w ill cause the periodical vibra2 tion of the cutting force, which may affect the surface integrity of the machined workp iece surface as well as tool life. However, there is no consensus on the titanium alloys’serrated chip formation m echanism. W ith a rigid visco2p lastic model and norm alized Cockroft and Latham separation criterion, orthogonal cutting p rocess of tita2 nium alloy Ti6A l4V at high speed is sim ulated. According to the results, it is verified that titanium alloys’chip formation can be exp lained well by the periodical crack theory and the changes of stress states in the p rimary shear zone are the main reason of crack’s initiation and p ropagation. The result is correspondent w ith the chip m icrograph of Ti6A l4V and can p rovide both theoretical and technical help for high speed m achining of titanium a lloys. Key words: titanium alloy; high speed machining; serrated chip; formation m echanism; FEM
摘要 :钛合金在切削加工时容易产生锯齿状切屑 ,周期性的锯齿状切屑会引起切削力高频波动 ,从而影 响加工表面质量和刀具寿命 。然而其切屑形成的机理尚无统一的结论 。本研究采用刚塑性有限元模型 以及正交化 Cockroft2Latham 断裂准则 ,对钛合金 Ti6A l4V 高速正交切削进行了仿真 。仿真结果显示 ,周 期性断裂理论能很好地解释钛合金锯齿状切屑形成的机理 ,主剪切变形区应力状态的变化是裂纹萌生 与扩展的主要原因 。研究结论与相关试验切屑显微照片特征相吻合 ,可以为实现钛合金高速切削提供 理论依据和技术支持 。 关键词 :钛合金 ;高速切削 ;锯齿切屑 ;形成机理 ;有限元仿真 中图分类号 : TH123. 2 文献标识码 : A
2. 2 刚塑性有限元方程
刚塑性有限元法有几种处理的方法 , 如罚函数法 、
Lagrange乘子法 、流函数法 。这里应用罚函数法求解 。
下面给出不计体力的泛函表达式 [4 ] :
µ κ µ < =
2
εε ij ij
dV
-
V
S p pi vi dS
+
a 2
(εiδj ij ) 2 dV
V
(7)
其中 Sp为变形体边界中的应力边界部分 , a 为大
F in ite Elem en t Ana lysis on the Ch ip Forma tion M echan ism of T itan ium A lloy’s H igh Speed M ach in ing CHEN J ian2ling1, 2 , L I J ian2feng1 , SUN J ie1 , SON G L iang2yu3 , XU Zhi2p ing1
(3)
ij ij
其中 Sij为应力偏量 , k为变形过程函数 , 当材料为 理想刚塑性时 , k为常量 。
( 4)体积不可压缩条件
εδ ij ij
=0
(4)
其中 δij为 Kronecker符号 。 ( 5)边界条件
位移边界条件 ui = ui
(5)
力学边界条件
σ ij
nj
=
pi
(6)
其中 ui 为边界位移 , nj 为表面法向 , pi为面力 。
的正常数 ,一般取 105 - 106 。
然后经过离散和线性化处理 , 得到应力偏量矩阵
形式
[ S ij ]n - 1 {Δu} = { Rn - 1 }
(8)
其中 {Δu}为速度增量 , { Rn - 1 }为常向量 。
刚塑性有限元法的求解一般预先假定一个初始速
第一阶段主要是主剪切区域 5的应变集中和剪切 失稳 ,难加工材料在切削条件下由于应变集中的作用 , 导致主剪切区域热软化效应大于应变强化效应 ,使该 区域继续变形的应力降低 ,从而在主剪切平面持续产 生变形 ,使变形进一步集中 。第二阶段 ,随着刀具的前