【正文】 ... 36 切削力和夾緊力的計(jì)算 ................................................ 36 定位誤差分析 ................................................................ 37 結(jié) 論 ..................................................................................................... 38 謝 辭 ....................................................................................................... 39 參考文獻(xiàn) ................................................................................................. 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。 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。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。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。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。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。 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。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 ） 。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。 (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。 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。 (2)比強(qiáng)度高 鈦合金的密度一般在 ，僅為鋼的 60%。但鈦對(duì)具有還原性氧及鉻鹽介質(zhì)的抗蝕性差。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。 (2)切削溫度高：由于鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)很?。ㄖ幌喈?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。因此，要求工藝系統(tǒng)應(yīng)具有較好的剛性。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。 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。 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。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，包括具有生物活性的鈦合金仿生材料，在醫(yī)用鈦合金材料的表面處理方面也做了很多專利性的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，賦予醫(yī)用鈦合金材料更好的生物活性以滿足人體的生理需要，從而達(dá)到使患者早日康復(fù)的目的。鈦合金同時(shí)具備很好的抗疲勞性能，疲勞極限是鋼的兩倍。此外鈦制體育用品還有：擊劍防護(hù)面罩 、冰刀、釣魚(yú)桿、釣魚(yú)用繞線架、賽艇用 零部件、滑雪杖、雪鏟 、登山釘、田徑跑鞋用的注射成型 Ti． Fe系鞋底釘?shù)鹊取C4 的化學(xué)成份和機(jī)械性能如表 和表 所示 表 TC4 化學(xué)成分表 元素 C Fe N O Al V H Ti 含量 ～ ～ 余量 表 TC4 機(jī)械性能表 材料 Ti6Al4V（ TC4） 抗拉強(qiáng)度（ MPa） 993 屈服強(qiáng)度（ MPa） 830 彈性模量 114 硬度（ HRC） 36 刀具材料 切削加工鈦合金應(yīng)從降低切削溫度和減少粘結(jié)兩方面出發(fā)，選用硬性好、抗彎強(qiáng)度高、導(dǎo)熱性能好、與鈦合金親和性差的刀具材料， YG 類硬質(zhì)合金比較合適。其實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)定見(jiàn)下表： 表 為切削力隨進(jìn)給量變化的單因素實(shí)驗(yàn)方案，進(jìn)給量 (mm/r)的水平設(shè)為： 、 、 、 、 、 、 。為了減少試驗(yàn)次數(shù)，又得到合理的試驗(yàn)結(jié)果，正交試驗(yàn)法在科學(xué)研究中被廣泛應(yīng)用。同時(shí)看出當(dāng)切削力大于 時(shí)，各切削力隨著切削深度的增加而增加。這是因?yàn)榍邢魃疃仍龃蠓较蚺c Fx的方向一致，因此當(dāng)切削深度增加時(shí)， Fx 和 Fz增加比較顯著。切削深度一般應(yīng)小于 1mm，而進(jìn)給量在盡可能小的同時(shí)，要大于其硬化層的厚度，一般應(yīng)在 。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，鈦合金加工過(guò)程中的高溫軟化現(xiàn)象比較顯著，所以在 30m/min～050100150200250300 1 2切削力（N） 切削深度（ mm） Fx（ N） Fy（ N） Fz（ N） 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 50m/min 范圍內(nèi)切削力隨切削速度的增加而減小。此外當(dāng)速度由低速逐漸增大時(shí)會(huì)使積屑瘤增大，切削瘤增大使刀具的實(shí)際前角也增多，從而使切削力變小；當(dāng)切削速度繼續(xù)增大時(shí)，積 屑瘤又逐漸減小。劃分有限元時(shí)，供選擇的單元類型有：一維梁?jiǎn)卧?，二維殼類單元，三維實(shí)體單元。 (3)后置處理階段：有限元分析能夠用不同的方式顯示分析結(jié)果，以便明顯看出哪一部分是否失效和怎樣改進(jìn)設(shè)計(jì)。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 DEFORM3D 是一套基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元系統(tǒng) (FEM)，專門用于設(shè)計(jì)分析各種金屬成形過(guò)程中的三維流動(dòng)，在一個(gè)集成環(huán)境內(nèi)綜合建模、成形、熱傳導(dǎo)和成形設(shè)備特性進(jìn)行模擬仿真分析。系統(tǒng)中集成了在任何必要時(shí)能夠自行觸發(fā)自動(dòng)網(wǎng)格重劃生成器，生成優(yōu)化的網(wǎng)格系統(tǒng)。 (3)DEFORM3D 模型來(lái)自 CAD 系統(tǒng)的面或?qū)嶓w造型 (STL／ SLA)格式。 (7)具有 FLOWNET 和點(diǎn)跡示蹤、變形、云圖、矢量圖、力行程曲線等后處理功能。 DEFORM3D 還提供了 3D 幾何操縱修正工具，這對(duì)于 3D 過(guò)程模擬極為重要。也可進(jìn)入前處理進(jìn)行更詳細(xì)的設(shè)置，如網(wǎng)格密度框。 (3)生成模型 (刀具和工件 )根據(jù)實(shí)際情況選擇加工條件、刀具參數(shù)、工件參數(shù)等，直到最后生成 .DB 文件，從而生成模型的步驟可以利用加工向?qū)е鸩竭M(jìn)行，如圖 32 所示。 (5)進(jìn)入后處理界面對(duì)刀具和工件進(jìn)行分析。這與有限元分析要求的單元形狀盡量接近于母單元的形狀相違背，因而將產(chǎn)生較大的計(jì)算誤差，特別是三角形單元和四面體單元。因此，對(duì)于涉及大變形的復(fù)雜金屬加工過(guò)程，很難用一成不變的網(wǎng)格把變形過(guò)程模擬到底。對(duì)于在 DEFORM3D 中，實(shí)體都是劃分為 四 面體 單 元。另外，一個(gè)好的分離準(zhǔn)則的臨界值在切削材料確定后，不應(yīng)該隨著切削條件的變化而變化。目前對(duì)于材料在切削狀況下的本構(gòu)關(guān)系的研究并不多，一方面是因?yàn)樽霾牧显囼?yàn)比較復(fù)雜和昂貴，另一方面是因?yàn)橐话愕脑囼?yàn)只能提供有限應(yīng)變率 (10000/s)和應(yīng)變 (約 )的材料數(shù)據(jù)，因此很多研究都基于己有的材料本構(gòu)模型來(lái)展開(kāi)的。 在模擬中，沒(méi)有設(shè)置把力作為固定工作的條件，一是切削力等都沒(méi)有確定，不好確定力的大小，二是增加固定力會(huì)引起不必要的后果，增加了工件的變形。在這個(gè)過(guò)程中，刀具不斷地?cái)D壓和剪切工件，使工件在高溫、高速下產(chǎn)生塑性變形；反過(guò)來(lái)，工件和切屑又不斷摩擦和擠壓刀具。剛塑性有限元采用增量法洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 求解大變形問(wèn)題，是以增量加載 (變形 )過(guò)程來(lái)逼近連續(xù)塑性變形過(guò)程的實(shí)際規(guī)律。本仿真中等時(shí)間步長(zhǎng)中按照每一步 刀具前進(jìn)的距離進(jìn)行設(shè)定，大小為 。在切削過(guò)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。 模擬過(guò)程與實(shí)際的切 削過(guò)程一樣，也分為初始和穩(wěn)態(tài)的過(guò)程。由于仿真過(guò)程畢竟受到計(jì)算機(jī)硬件條件和軟件計(jì)算能力的限制，單元數(shù)目不可能無(wú)限的多，因此在切削刃周圍的切屑和母體發(fā)生分離時(shí)，原本相互作用的單元失去 了聯(lián)系，切削力就會(huì)發(fā)生一定程度的波動(dòng)，在刀具的前刀面上，切屑與刀具的接觸面積比較大，接觸的單元數(shù)目比較多，切洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 屑的分離對(duì)切削力 (主切削力 )的影響不大，而后刀面與工件接觸面積比較小，接觸單元的數(shù)目比較少，節(jié)點(diǎn)分離的影響就十分明顯。直接影響刀具的磨損和使用壽命，并影響工件的加工精度和表面質(zhì)量。如果切削熱投有及時(shí)地從切屑和工件傳導(dǎo)出去，切削區(qū)溫度就較高，使刀具磨損加快。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 表 42 切削溫度的仿真結(jié)果 序號(hào) 1 2 3 4 5 6 7 8 切削溫度 608 651 685 761 634 635 764 758 序號(hào) 9 10 11 12 13 14 15 16 切削溫度 716 734 697 685 768 761 674 636 對(duì)表 42 的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析 可知： 切削速度對(duì)切削溫度有較顯著的影響，隨著切削速度的提高，切削溫度明顯升高。 進(jìn)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(jìn)給量的增加而升高，但幅度不如切削速度那樣明顯。切削力在切削過(guò)程表現(xiàn)出來(lái)的物理現(xiàn)象中是最穩(wěn)定，可重復(fù)性強(qiáng)，而又簡(jiǎn)單易測(cè)的物理量。可以發(fā)現(xiàn)，除了兩者具有共同的發(fā)展趨勢(shì)外，切削力的仿真值和試驗(yàn)值還具有合理的一致性。在這里設(shè)計(jì)主軸箱主要從主傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)方面進(jìn)行。缺點(diǎn)是有一個(gè)傳動(dòng)組內(nèi)有四個(gè)傳動(dòng)副。接近電動(dòng)機(jī)處的零件，轉(zhuǎn)速較高，從而轉(zhuǎn)矩較小，尺寸也就較小。 （ 2） 結(jié)構(gòu)網(wǎng)和結(jié)構(gòu)式各種方案的選擇 在 12=3 2 2 中，又因基本組和擴(kuò)大組排列順序的不同而有不同的方案。因此，主傳動(dòng)鏈任一傳動(dòng) 組的最大變速范圍 Rmax = (imax/imin) ≤8~10。即 Rn = φxn(pn?1) ≤ Rmax 圖 51 中，方案 a、 b、 c、 e 的第二擴(kuò)大組 x2 = 6,p2 = 2,則 R2 = φ6(2?1) = = ,則 R2 = = 8 = Rmax，是可行的。因?yàn)槿绻桨竿?hào)傳動(dòng)軸的最高轉(zhuǎn)速相同，則變速范圍小的，最低轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)矩較小，傳動(dòng)件的尺寸也就可以小些。根據(jù)機(jī)床所需功率選擇 Y132M26，其同步轉(zhuǎn)速為 1000r/min。 （ 4）繪制轉(zhuǎn)速圖 先按傳動(dòng)軸數(shù)及主軸轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)格距 lgφ畫(huà)出網(wǎng)格，用以繪制轉(zhuǎn)速圖。注明主軸的各級(jí)轉(zhuǎn)速。即先決定軸Ⅲ的轉(zhuǎn)速。 同理，對(duì)于軸可取 ia1 = 11, ia2 = 1φ2 = 12, ia3 = 1φ = 這樣就確定了軸Ⅰ的轉(zhuǎn)速為 660r/min。查參考文獻(xiàn)[5]表 21，結(jié)果如下： ia1 = 1 Sz =?， 60， 62， 64， 66， 68， 70， 72， 74，? ia2 = 1/ Sz = ?， 60， 63， 65， 67， 68， 70， 72， 73， 75? ia2 = 1/2 Sz =?， 60， 63， 66， 69， 72， 75，? 從以上各行中可以看出， Sz =60 和