【正文】 （復印件）。 主要參考 金屬成形有限元分析實力指導教程（李傳民、王向麗、閆華軍等編著） 進度安排：開學第一個月，進行基礎知識搜集學習； 第二個月，進行建模仿真，分析仿真結(jié)果； 第三個月，書寫畢業(yè)論文。 本文以鈦合金 Ti6Al4V為主要研究對象 ，并借助于有限元分析軟件 DEFORM3D，對高速切削鈦合金過程進行了三維動態(tài)仿真，并對切削過程中切削力和切削溫度的變化規(guī)律進行了詳細的分析。通過對鈦合金高速切削過程仿真結(jié)果的分 析，對提高鈦合金切削速度以及刀具材料的選擇具有重要的意義。目前鈦合金零件制造面臨的主要問題是加工效率低、制造周期長、表面質(zhì)量待提高。因此，它的分析結(jié)果要比其他的通用有限元分析軟件更具有可信性。 ，密度小 常用 α+β 相鈦合金的強度為 b? =10101177MPa,密度 ρ=， 比強度b? /ρ=228266。此外，鈦合金對各種濃度的鉻酸和硝酸的穩(wěn)定性高，在大多數(shù)無機鹽、堿性溶液和有機酸中的耐蝕性也很高。 K)。加工過程中在徑向力作用下容易產(chǎn)生彎曲變形，限制長桿件的使用。但鈦合金的硬度只是難于切削加工的一個方面，關鍵在于鈦合金本身化學、物理、力學性能間的綜合作用對其切削加工性 的影響。K)，非常小，切屑與前刀面的接觸長度極短，切削時產(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。因此，要求工藝系統(tǒng)應具有較好的剛性。另外，由于鈦合金對刀具材料的化學親和性強，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。 20xx 年，李德華等分別對鈦合金切削的刀具材料選用和加工工藝方法進行了研究。研究表明拉伸裝央不影響加工表面粗糙度，但能提高已加工表面殘余壓應力和增大殘余應力層厚度。DEFORM3D 是一套基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元系統(tǒng)，專門設計用于分析各種金屬成形過程中的三維流動，提供極有價值的工藝分 析數(shù)據(jù)，及有關成形過程中的材料和溫度流動，是模擬 3D 材料流動的理想工具。在要求精度較高的區(qū)域，可以劃分較細密的網(wǎng)格，從而降低運算規(guī)模，并顯著提高計算效率。 MSC／ Nastran 是目前國內(nèi)外對于金屬切削加工過程的仿真的常用的仿真軟件有： DEFORM、 MSC 著名結(jié)構(gòu)分析程序軟件， MSC／ Dytran 是動力學分析程序軟件， MSC／ Marc 是非線性分析軟件， ANSYS 是通用結(jié)構(gòu)分析軟件， ADINA 和 ABAQUS 同樣也是非線性分析軟件。 DEFORM 具有友好的用戶圖形界面，操作簡單方便。它提供了 230 多種材料數(shù)據(jù)庫資料，幾乎包含了所煙臺大學畢業(yè)論文 (設計 ) 5 有常用材料的彈性變形數(shù)據(jù)、塑性變形數(shù)據(jù)、熱能數(shù)據(jù)、熱交換數(shù)據(jù)、晶體長大數(shù)據(jù)、材料硬化數(shù)據(jù)和破壞數(shù)據(jù)，方便用戶在計算過程中使用。 DEFORM 采用的多種控制選項和用戶子程序使用戶在定義和分析問題時有很大的靈活性。 20 世紀 70年代后期，位于美國加州伯克利的加利福尼亞大學小林研究室在美國軍方的支持下開發(fā)出有限元軟件 ALPID， 20 世紀 90 年代在這一基礎上開發(fā)出 DEFOR． M． 2D軟件。 DEFORM3D 的特點 DEFORM3D 具有以下特點： DEFORM3D 是一個集成環(huán)境內(nèi)綜合建模、成形、熱傳導和成形設備特性進行模 擬仿真分析。實體之間或?qū)嶓w內(nèi)部的熱交換分析既可單獨求解，也可以耦合在成形模 擬過程中分析。 (1)前處理器。材料模型的確定主 要包括：按照既定的彈塑性、彈粘塑性、剛塑性、剛粘塑性模型輸入相應的熱、物性參數(shù)；根據(jù)用戶提供的試驗曲線及數(shù)據(jù)，軟件系統(tǒng)自動進行擬合及轉(zhuǎn)換成仿真所需的模型和參數(shù)。 DEFORM 運行時，首先通過有限元離散化將平衡方程、本構(gòu)關系和邊界條件轉(zhuǎn)化為非線性方程組，然后通過直接迭代法 和 Newton— Raphson 法進行求解，求解的結(jié)果以二進制的形式進行保存，用戶可以在后處理器中獲取所需要的結(jié)果。 DEFORM3D 有關功能模塊在本課題研究中的應用 本課題所用的 DEFORM3D 功能模塊為 Machining 模塊。在主窗口的 Message 和 Log 標簽下可以查看運行過程中每一步時間起止、煙臺大學畢業(yè)論文 (設計 ) 7 節(jié)點、接觸等狀況。在后處理窗口中，可以觀察整個動態(tài)模擬過程，每一步下刀具或工件的狀態(tài)及進行其它一些分析。故本文作如下假設： 在切削過程中，機床、刀具及工件組成的工藝系統(tǒng)的變形將影響切削的參數(shù)。 DEFORM3D 中應用加工向?qū)K進行車削仿真的基本步驟 DEFORM 為了方便應用，提供了成型分析、加工分析 (包括切削和鉆削 )等向?qū)?，用戶只需按向?qū)нM行相關設置，生成數(shù)據(jù)庫之后即可對模型求解。生成模型的步驟可以利用加工向?qū)е鸩竭M行，如圖 22 所示。 (5)進入后處理界面對刀具和工件進行分析。圖 24 為鈦合金切削的三維有限元模型示意圖。本研究所采用的刀具材料為 Carbide(Cobalt15%)的硬質(zhì)合會刀片，工件材料為鈦合金 Ti6Al4V(即 TC4)。在三維金屬成形模擬有限元軟件分析中，常用到的單 元主要有八節(jié)點六面體單元和混和 四面體單元。對于給定大小工件 (或刀具 )，網(wǎng)格密度增大，可以提高幾何模型的分辨率，并提高應力、溫度和應變等場變量的計算精度。 根據(jù)上述網(wǎng)格劃分原則，本文對工件和刀具進行了網(wǎng)格劃分，如圖 26 和圖 27 所示。另外，一個好的分 離準則在切削材料確定后，不應隨著切削條件的變化而變化。 DEFORM3D 所提供的 的分離準則有以下三個： (1)缺省準則當接觸節(jié)點的拉應力或壓應力大于 O． 1 MPa 時，節(jié)點分離。 刀具磨損模型 DEFOMR 一 3D 中，有兩種可用的磨損模型： Archard 模型和 Usui 模型。 Usui 磨損模型由Usui等在 1978 年建立。此方法的不足之處在于不能對切削刃經(jīng)過處 理的刀具 (如刀刃鈍圓和磨損的刀具 )進行預測。 在本文中，根據(jù)經(jīng)驗值取 c =， ? =855。在切削過程中，切削力直接決定著切削熱的產(chǎn)生，并影響刀具磨損、破損和使 用 壽命，工件加工精度以及已加工表面的質(zhì)量等。 表 31 仿真結(jié)果 仿真過程中的切削力 切削過程的模擬如圖 3． 2所示，在軟件的該界面中，刀片全部顯示出來，而只 是在工件上面提取了很小的參與切削部分。切削力從開始 逐漸增大，迅速達到一個較大值，然后局部減小，并開 始在一個范圍內(nèi)波動，進入穩(wěn)定階段。此外，切削熱可以使刀具前刀面的溫度上升，那么就在前刀面處帶來了減小摩擦應力、減小摩擦角、增大剪切角的結(jié)果，從而減小了刀具與工件的摩擦力。 仿真過程中的切削溫度 切 削溫度 的分布 通過仿真計算得到了 STEP1000 時刀具和工件的切削溫度分布，如圖 37 和圖 38所示。 不同變量對切削溫度的影響 由于在切削機理的理論研究中，工件的最高溫度的變化是影響切削難易程度的和刀具磨損的重要參考因素，所以本文按照表 31 的仿真次序得出不同切削條件下工件溫度的仿真結(jié)果，通過仿真得到不同變量對工件切削溫度的影響規(guī)律如圖 3 3311 所示。 圖 310 切削溫度隨進給量的變化規(guī)律 由圖 310 可知，進給量增大，切削溫度也增大。綜合以上幾方面的影響，切削溫度隨進給量的增加而升高，但幅度不如切削速度那樣明顯?？偨Y(jié)本文的主要工作如下： （ 1）介紹了本文研究的背景和意義，鈦合金的物理機械性能及其特性與高速切削研究現(xiàn)狀。 （ 4）進行了多組切削過程的模擬仿真，并對仿真結(jié)果進行了匯總對比分析。因此，作者認為以后的研究可以圍繞下面的幾個方面深入展開： (1)在刀具的幾何參數(shù)對切削過程的影響 中應當被更深入地研究。所以，還可以在加切削液的情況下，對如何采集數(shù)據(jù)和仿真分析進行深入的研究。 本次論文期間，學院里的同學 (郭偉峰、王本江等 )也不同程度的對我起著提示、指導、糾正的幫助作用。論文的每一個階段都與導師的耐心幫 助是分不開的。 (3)由于實驗條件的限制，對切削溫度和切削力的研究只進行了仿真分析，在今后的研究中還應實驗測量切削溫度與切削力，與仿真結(jié)果對比，并研究應力在刀具和工件上的分布情況。 展望未來 切削過程中的影響因素和外在體現(xiàn)除了本文中討論的這些外還有很多，在切削的 機理方面還需要更深入的研究。 （ 3）建立了 DEFORM3D 對鈦合金的車削過程有限元仿真模型。這是由于當切削深度增加時，產(chǎn)生的熱量成比例的增加，使切削溫度上升； 但隨著切削深度的增加，散熱面積也成 比例的增加，所以切削深度對切削溫度的影響 不大。但隨著進給量的增 大，單位切削力和單位切削功率將減小、切除單位體積金屬所產(chǎn)生的熱量也隨之減小。其原因是： 當切削速度提高時，單位時間的金屬切除率成正比增多，刀具與工件及切屑間的摩擦加劇，消耗于切削層金屬變形和摩擦的功增加，因而產(chǎn)生大量的切削熱。而從圖 38 可以看出，工件的最高溫度分布在切屑根部的很大區(qū)域范圍內(nèi)，并在與刀尖接觸區(qū)域達到最大值，其原因是切屑根部附近金屬的塑性變形產(chǎn)生的熱量使其自身溫度升高 ，并且傳熱不及時。 切削深度和進給量對切削力的影響 為了更明確的研究切削深度與進給量對切削力的影響，分別以切削深度和進 給量的四個不同值為橫坐標，各值對應測得的各軸切削力平均值為縱坐標，仿真過 程中切削力與切削深度和進給量的關系如圖 3 36所示： 圖 35 切削力隨切削深度的變化 圖 36 切削力隨進給量的變化 由圖 35 和圖 36可以看到，切削力隨著切削深度和進給量的增大均增大，因 煙臺大學畢業(yè)論文 (設計 ) 17 為切削深度 (即背吃刀量口 f)與進給量 ap 的增大都將增大切削面積，從而增大變 形力和摩擦力，刀具所受到的摩擦力也增大，切削力也將增大。由圖可見切削力是一個“增大一減小一增大一減小”的周期過程，這是因為煙臺大學畢業(yè)論文 (設計 ) 14 TC4 在切削過程中形成鋸齒狀切屑，切屑形成過程中，當?shù)谝蛔冃螀^(qū)開始產(chǎn)生集中滑移變形時，其承載能力大幅下降導致幾何失穩(wěn)，切削力絕對值逐漸減小，隨后由于刀具繼續(xù)前進對切削層材料產(chǎn)生積壓，切削力絕對值又逐漸增大。從圖中可以看出，切削過程中刀具在 從左向右移動方向上，也就是刀具在工件外圓順時針方向上受到的阻力最大，因 參數(shù) 序號 工件切削溫度 )(CTo X 軸切削力 )(NFx Y 軸切削力 )(NFy Z 軸切削力 )(NFz 進給量)/( rmmap 切削深度)(mmf 切削速度min)/(mv 01 759 100 02 832 200 03 866 300 04 928 400 05 1040 100 06 924 100 07 890 100 08 827 100 09 764 100 10 784 100 煙臺大學畢業(yè)論文 (設計 ) 13 為這一方向相當于切削的主運動，工件材料在此方向上的塑性變形也最大，因此 這一方向上的力為切削過程的主切削力。因此，研 究切削力的規(guī)律和計算方法，分析切削溫度的變化規(guī)律有重要的理論和現(xiàn)實意義。在眾多指標中，切 削力、切削溫度是反映材料切削性能的主要指標，在科研生產(chǎn)中也是最為常用的，特 煙臺大學畢業(yè)論文 (設計 ) 12 別是在鈦合金的切削中，這幾個指標尤為重要。通過對后刀面的磨損進行預測，其結(jié)果與試驗結(jié)果相符。通過將能量法、實驗法和有限差分法相結(jié)合，并對刀一屑接觸條件進行簡化和假