【正文】 .............................................................. 40 外文資料翻譯 ........................................................................................ 42 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 前 言 一、 鈦合金切削研究現(xiàn)狀 鈦是 20 世紀(jì) 50 年代發(fā)展起來(lái)的一種重要的結(jié)構(gòu)金屬，鈦合金因具有比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點(diǎn)而被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。世界上許多國(guó)家如美國(guó)、日本、俄羅斯以及中國(guó)等都認(rèn)識(shí)到鈦合金材料的重要性，并相繼對(duì)其進(jìn)行了研究開(kāi)發(fā)，并廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、生活中。 早在上世紀(jì)五六十年代，美國(guó)、英國(guó)、日本以及前蘇聯(lián)就圍繞鈦合金加工刀具壽命、切削力、表面完整性、切屑形成和切削溫度等開(kāi)展了大量的研究工作。目前國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者對(duì)鈦合金的切削加工進(jìn)行了更加深入細(xì)致的研究。 在切削刀具方面國(guó)內(nèi)目前主要使用鎢鉆類硬質(zhì)合金刀具來(lái)切削加工鈦合金。常用的有 YG YG YG6X、 YG6A、 YS2T、 YD1 YA6 等。通常在粗車和斷續(xù)車削時(shí)采用 YG8 刀片，精車和連續(xù)車削時(shí)用 YG3 刀片，一般加工則用 YG6X 刀片。實(shí)踐證明，含鉭的硬質(zhì)合金 YG6A(屬于細(xì)顆粒鎢鉆類硬質(zhì)合金 )，由于加入了少量的稀有元素，提高了刀片耐磨性，代替了原有的 YG6X，其抗彎強(qiáng)度、硬度也都比 YG6X 高。在低速切削或切削復(fù)雜型面時(shí)，可采用高釩高速鋼和高鉆高速鋼刀具，它們是加工鈦合金較好的刀具材料。對(duì)于鉆頭、立銑刀、鉸刀等形狀復(fù)雜制造困難的刀具常使用牌號(hào)為 W2Mo9Cr4VCo W12Cr4V4Mo 等 高性能高速鋼刀具來(lái)低速切削鈦合金。 對(duì)切削溫度場(chǎng)的科學(xué)研究有理論研究和試驗(yàn)研究?jī)蓚€(gè)方面。用理論解析法求熱傳導(dǎo)問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)是可以表示溫度分布的函數(shù)關(guān)系，并且科學(xué)分析影響因素。但是對(duì)復(fù)雜的幾何形狀，復(fù)雜的邊界條件，解析法的應(yīng)用就顯得很困難，常常不得不做出一些簡(jiǎn)化，這就會(huì)帶來(lái)一定誤差，于是出現(xiàn)了數(shù)值解法。在熱傳導(dǎo)方面應(yīng)用較多的數(shù)值解法是有限差分法和有限單元法。而試驗(yàn)研究一直在金屬切削溫度研究中占主導(dǎo)地位。 二、研究方法：有限元 分析 50 年代中期至 60 年代末，有限元法出現(xiàn)并迅猛發(fā)展，由于當(dāng)時(shí)理論洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 尚處于初級(jí)階段，計(jì)算機(jī) 的硬件及軟件也無(wú)法滿足需求，有限元法和有限元程序無(wú)法在工程上普及。到 60 年代末 70 年代初出現(xiàn)了大型通用有限元程序，它們以功能強(qiáng)、用戶使用方便、計(jì)算結(jié)果可靠和效率高而逐漸形成新的技術(shù)商品，成為結(jié)構(gòu)工程強(qiáng)有力的分析工具。目前，有限元法在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)和電磁學(xué)等許多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。當(dāng)前，在我國(guó)工程界比較流行，被廣泛使用的大型有限元分析軟件有 MSC／Nastran、 Ansys、 Deform、 Marc、 Adina 和 Algor 等。 有限元法是建立在固體變分原理基礎(chǔ)之上的，用有限元進(jìn)行分析時(shí)，首先將 被分析物體離散成為許多小單元，其次給定邊界條件、載荷和材料特性，再者求解線性或非線性方程組，得到位移、應(yīng)力、應(yīng)變、內(nèi)力等結(jié)果，最后在計(jì)算機(jī)上，使用圖形技術(shù)顯示計(jì)算結(jié)果。目前的商用有限元程序不但分析功能幾乎覆蓋了所有的工程領(lǐng)域，其程序使用也非常方便，只要有一定工程背景基礎(chǔ)的工程師都可以在不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)分析實(shí)際工程項(xiàng)目，這就是它能被迅速推廣的主要原因之一。 20 世紀(jì) 40 年代，由于航空事業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)提出了愈來(lái)愈高的要求，即重量輕，強(qiáng)度高，剛度好，人們不得不進(jìn)行精確的設(shè)計(jì)和計(jì)算。同時(shí)由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā) 展使得利用數(shù)值模擬方法來(lái)研究切削加工過(guò)程以及各種參數(shù)之間的關(guān)系成為可能。 三、本文研究的主要意義 鈦合金由于獨(dú)有的材料特性，其應(yīng)用逐漸從航空和軍事領(lǐng)域向汽車和民用領(lǐng)域擴(kuò)展。由于其強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性差給切削刀具帶來(lái)了嚴(yán)重的磨損，這使得其加工效率很低，加工成本很高。因此，研究鈦合金切削過(guò)程中切削力、表面粗糙度、切削溫度、刀具磨損和切屑形態(tài)控制等切削機(jī)理的變化對(duì)提高鈦合金加工效率，降低加工成本具有重要的意義。目前，鈦合金切削的研究越來(lái)越多的集中在高速切削等特殊加工方法上。但是隨著鈦合金應(yīng)用的普及，普通車床仍然是加工鈦 合金的主要設(shè)備。因此本課題選擇在普通車床上進(jìn)行鈦合金的車型性能研究，具有更重要的現(xiàn)實(shí)意義。另外，本課題選擇的 DEFORM3D 軟件進(jìn)行有限元仿真分析。在最近的國(guó)際范圍復(fù)雜零件成形模擬招標(biāo)演算中， DEFORM3D 的計(jì)算精度和結(jié)身可靠性，被國(guó)際成形模擬領(lǐng)域公認(rèn)為第一。因此，它的分析結(jié)果要比其他的通用有洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 限元分析軟件更具有可信性。 四、本文研究的主要內(nèi)容 車削過(guò)程是一個(gè)多輸入輸出的過(guò)程，每個(gè)加工參數(shù)的改變都會(huì)引起輸出量的變化。本文選出對(duì)切削加工過(guò)程中影響比較大的幾個(gè)參數(shù)切削深度ap、進(jìn)給量 f 以及切削速度 v 進(jìn)行研究 。同時(shí)鈦合金加工難易的程度是由切削力和溫度的大小、刀具的磨損、表面粗糙度和切屑排出難易程度來(lái)衡量。因此選擇這幾個(gè)參考指標(biāo)進(jìn)行研究。另外，本課題在其它研究的基礎(chǔ)上選擇 Ti 6Al4V(TC4)鈦合金的棒料為切削對(duì)象， 其主要內(nèi)容為： （ 1） 對(duì)鈦合金的切削過(guò) 程進(jìn)行研究， 分析各加工參數(shù)對(duì)切削力 影響關(guān)系 ， 研究其形成的原因 （由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，本文 將 已經(jīng)做出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果 作為已知條件 ） 。 （ 2） 建立車削過(guò)程的幾何有限元模型和材料的有限元模型，選取對(duì)車削過(guò)程影響大的幾個(gè)切削參數(shù) (切削深度、進(jìn)給量、切削速度 )作為研究對(duì)象，進(jìn) 行多次數(shù)值模擬，考察以上參數(shù)對(duì)切削力和切削溫度的影響。 （ 3） 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證有限元分析的可行性。 （ 4）針對(duì)車削鈦合金設(shè)計(jì)專門(mén)的車床，對(duì)加工外罩車零件某一工位設(shè)計(jì)出專用夾具 。洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第 1 章 鈦合金的性能及應(yīng)用 鈦合金的化學(xué)性能 鈦是銀白色金屬，密度約為 4． 5g/cm3，熔點(diǎn)為 1668℃ ,鈦有兩種同素異構(gòu)體，密排六方晶格的α鈦和體心立方晶格的β鈦。鈦的質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐熱性好，同時(shí)它的化學(xué)活性高，易與空氣中的氮、氧、氫化合。 鈦及鈦合金具有耐腐蝕、比強(qiáng)度高等突出優(yōu)點(diǎn)而被稱作“太空金屬”或“海洋金屬”，目前的金屬工業(yè)產(chǎn)量上，鐵達(dá)到 7 億噸，鋁約 l 萬(wàn)噸，銅和不銹鋼各為 1000 萬(wàn)噸，鈦產(chǎn)量卻不足 1 萬(wàn)噸，所以說(shuō)鈦是一種尚未成熟的年輕金屬，它很有希望成為繼鐵、鋁之后的第三種實(shí)用金屬，開(kāi)發(fā)利用前景十分廣闊。我國(guó)鈦資源非常豐富， TiO2總儲(chǔ)量達(dá) 9 億噸，儲(chǔ)量世界第一，中國(guó)必將成為鈦金屬的世 界生產(chǎn)大國(guó)。 鈦又是同素異構(gòu)體，在低于 882℃時(shí)呈密排六方晶格結(jié)構(gòu)，稱 α 鈦；當(dāng)高于 882 時(shí)呈體體心立方晶格結(jié)構(gòu)，稱為 β 鈦。通過(guò)向鈦中添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪?，使其相變溫度及相分含量逐漸改變而得到不同組織的鈦合金。室溫下，鈦合金有 3 種基體組織，鈦合金也就分為以下 3 類： (1) α 相鈦合金 (用 TA 表示 ) 它是 α 相固溶體組成 的單相合金，不論是在一般溫度下還是在較高的實(shí)際應(yīng)用溫度下，均是 α 相，組織穩(wěn)定，耐磨性高于純鈦，抗氧化能力強(qiáng)。在 500℃ ～ 600℃ 的溫度下，仍保持其強(qiáng)度和抗蠕變性能，但不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，室溫強(qiáng)度不高 。 (2) β 相鈦合金 (用 TB 表示 ) 它是相固溶體組成的單相合金，未熱處理即具有較高的強(qiáng)度，淬火、時(shí)效后合金得到進(jìn)一步強(qiáng)化，室溫強(qiáng)度可達(dá) 1372~1666MPa，但熱穩(wěn)定性較差，不宜在高溫下使用。 (3) α +β 相鈦合金 (用 TC 表示 ) 它是雙相合金，具有良好的綜合性能，組織穩(wěn)定性好，有良好的韌性、塑性和高溫變形性能，能較好地進(jìn)行熱壓力加工，能進(jìn)行淬火、時(shí)效使合洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 金強(qiáng)化。熱處理后的強(qiáng)度約比退火狀態(tài)提高 50%~100%。高溫強(qiáng)度高，可在 400℃ ~500℃的溫度下長(zhǎng)期工作，其熱穩(wěn)定性次于 α鈦合金。 三種鈦合金中最常 用的是 α +β 相鈦合金，而其中又以 Ti6AI4V應(yīng)用最為普遍，幾乎占當(dāng)今鈦合金使用總量的一半以上。就切削加工性而言，α 相鈦合金的切削加工性最好， α +β 相鈦合金次之， β 相鈦合金最差。 鈦合金所具有許多優(yōu)良特性，主要表現(xiàn)在： (1)熱強(qiáng)度高 鈦合金熱穩(wěn)定性好、高溫強(qiáng)度高。在 300C～ 500℃的溫度下，其強(qiáng)度約比鋁合金高 10 倍，這也是目前飛機(jī)上大量使用鈦合金代替鋁合金的重要原因之一。 (2)比強(qiáng)度高 鈦合金的密度一般在 ，僅為鋼的 60%。鈦合金的強(qiáng)度近于普通鋼的強(qiáng)度，一些高強(qiáng)度鈦合金超過(guò)了許多合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度。因此鈦合金的比強(qiáng)度 (強(qiáng)度 /密度 )遠(yuǎn)大于其他金屬結(jié)構(gòu)材料，因此可制出單位強(qiáng)度高、剛性好、質(zhì)量輕的零部件。 (3)抗腐蝕性好 鈦合金在潮濕的大氣和海水介質(zhì)中工作，其抗蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼；對(duì)點(diǎn)蝕、酸蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強(qiáng)：對(duì)堿、氯化物、氯的有機(jī)物品、硝酸、硫酸等有優(yōu)良的抗腐蝕能力。但鈦對(duì)具有還原性氧及鉻鹽介質(zhì)的抗蝕性差。 (4)低溫性能好 鈦合金在低溫和超低溫下，仍能很好地保持其力學(xué)性能，有些鈦合金在低溫下強(qiáng)度更高。因此，鈦合金也是一種重要的低溫結(jié)構(gòu)材料。 (5)化學(xué)活性大 鈦合金高溫化學(xué)活性大，易與大氣中 O N H2和水蒸氣等產(chǎn)生強(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)生成氧化鈦、氮化鈦等物質(zhì)。鈦合金開(kāi)始強(qiáng)烈吸收氫、氧和氮的溫度分別為 300℃、 500℃、 600℃。鈦的化學(xué)親和性也很大，易與摩擦表面產(chǎn)生粘附現(xiàn)象。 鈦合金材料還具有其他一些特性，如：導(dǎo)熱性差，其導(dǎo)熱系數(shù)約為 Ni的 1/4， Fe 的 1/5， Al 的 1/14，在切削過(guò)程中會(huì)致使刀具切削刃的溫度大洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 幅上升，刀具磨 損加快，使用壽命縮短；彈性模量小，其彈性模量為107． 8GPa，約為鋼的 1/2，在切削過(guò)程中，由于切削力的作用，會(huì)使鈦合金發(fā)生變形，刀具后面與發(fā)生回彈的已加工表面產(chǎn)生劇烈摩擦，產(chǎn)生很高的溫度。這些特性使鈦合金成為一種難加工材料。 鈦合金的切削特點(diǎn) 鈦合金的硬度大于 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)鍵在于鈦合金本身化學(xué)、物理、力學(xué)性能間的綜合作用對(duì)其切削加工性的影響。鈦合金有如下切削特點(diǎn)： (1)變形系數(shù)?。哼@ 是鈦合金切削加工的顯著特點(diǎn)，變形系數(shù)小于或接近于 1。切屑在前刀面上滑動(dòng)摩擦的路程大大加大，加速刀具磨損。 (2)切削溫度高：由于鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)很小（只相當(dāng)于 45 號(hào)鋼的 1/5～1/7） ,切屑與前刀面的接觸長(zhǎng)度極短，切削時(shí)產(chǎn)生的熱不易傳出，集中在切削區(qū)和切削刃附近的較小范圍內(nèi)，切削溫度很高。在相同的切削條件下，切削溫度可比 45 號(hào)鋼時(shí)高出一倍以上。 (3)單位面積上的切削力大：主切削力比切鋼時(shí)約小 20％，由于切屑與前刀面的接觸長(zhǎng)度極短，單位接觸面積上的切削力大大增加，容易造成崩刃。同時(shí)，由于鈦合金的彈性模量小， 加工時(shí)在徑向力作用下容易產(chǎn)生彎曲變形，引起振動(dòng)，加大刀具磨損并影響零件的精度。因此，要求工藝系統(tǒng)應(yīng)具有較好的剛性。 (4)冷硬現(xiàn)象嚴(yán)重：由于鈦的化學(xué)活性大，在高的切削溫度下，很容易吸收空氣中的氧和氮形成硬而脆的外皮；同時(shí)切削過(guò)程中的塑性變形也會(huì)造成表面硬化。冷硬現(xiàn)象不僅會(huì)降低零件的疲勞強(qiáng)度，而且能加劇刀具磨損，是切削鈦合金時(shí)的一個(gè)很重要特點(diǎn)。 (5)刀具易磨損：毛坯經(jīng)過(guò)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。另外，由于鈦合金對(duì)刀具材料 的化學(xué)親和性強(qiáng)，在切削溫度高和單位面積上切削力大的條件下，刀具很容易產(chǎn)生粘結(jié)磨損。 車削鈦合洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 金時(shí)，有時(shí)前刀面的磨損甚至比后刀面更為嚴(yán)重。進(jìn)給量 f，磨損主要發(fā)生在后刀面上，當(dāng) f，前刀面將出現(xiàn)磨損。 鈦合金的應(yīng)用現(xiàn)狀 鈦合金因具有眾多優(yōu)秀特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。 鈦合金在軍事方面的應(yīng)用：鈦?zhàn)钤绲膽?yīng)用，就是為軍事航空工業(yè)提供高性能材料。隨著各國(guó)軍事工業(yè)的發(fā)展，鈦的應(yīng)用領(lǐng)域被不斷拓寬。至今，鈦已在航空航天、核能、艦船、兵器等諸多領(lǐng)域獲得越來(lái)越多的應(yīng)用，成為重要的戰(zhàn)略 金屬材料。其應(yīng)用水平也成為衡量一個(gè)國(guó)家武器裝備先進(jìn)程度，反映一個(gè)國(guó)家的軍事水平和軍事實(shí)力的重要指標(biāo)。 鈦合金在生物醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用：生物醫(yī)用材料是材料科學(xué)的一個(gè)重要分支，是用于診斷、治療或替代人體組織、器官或增進(jìn)其功能、具有高技術(shù)含量和高經(jīng)濟(jì)價(jià)值的新型載體材料，是材料科學(xué)技術(shù)中一個(gè)正在發(fā)展的新領(lǐng)域。鈦無(wú)毒、質(zhì)輕、強(qiáng)度高且具有優(yōu)良的生物相容性，是非常理想的醫(yī)用金屬材料。鈦及其合金憑借優(yōu)良的綜合性能，成為人工關(guān)節(jié) (髖、膝、肩、踝、肘、腕、指關(guān)節(jié)等 )、骨創(chuàng)傷用品 (髓內(nèi)釘、托板、螺釘?shù)?)、脊柱矯形內(nèi)固定系統(tǒng)、牙種植體 、牙托、牙矯形絲、人工心臟瓣膜、介入性心血管支架等醫(yī)用內(nèi)植入產(chǎn)品的首選材料。目前，還沒(méi)有比鈦合金更好的金屬材料用于臨床。發(fā)達(dá)國(guó)家和世界知名體內(nèi)植入物產(chǎn)品供應(yīng)商都非常重視鈦合金的研發(fā)工作，推出了一系列新的醫(yī)用鈦合金材料，包括具有生