【正文】 ... 36 切削力和夾緊力的計算 ................................................ 36 定位誤差分析 ................................................................ 37 結 論 ..................................................................................................... 38 謝 辭 ....................................................................................................... 39 參考文獻 ................................................................................................. 40 外文資料翻譯 ........................................................................................ 42 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 1 前 言 一、 鈦合金切削研究現(xiàn)狀 鈦是 20 世紀 50 年代發(fā)展起來的一種重要的結構金屬，鈦合金因具有比強度高、耐蝕性好、耐熱性高等特點而被廣泛用于各個領域。 在切削刀具方面國內目前主要使用鎢鉆類硬質合金刀具來切削加工鈦合金。在低速切削或切削復雜型面時，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。但是對復雜的幾何形狀，復雜的邊界條件，解析法的應用就顯得很困難，常常不得不做出一些簡化，這就會帶來一定誤差，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、用戶使用方便、計算結果可靠和效率高而逐漸形成新的技術商品，成為結構工程強有力的分析工具。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域，其程序使用也非常方便，只要有一定工程背景基礎的工程師都可以在不長的時間內分析實際工程項目，這就是它能被迅速推廣的主要原因之一。由于其強度高、導熱性差給切削刀具帶來了嚴重的磨損，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行鈦合金的車型性能研究，具有更重要的現(xiàn)實意義。 四、本文研究的主要內容 車削過程是一個多輸入輸出的過程，每個加工參數(shù)的改變都會引起輸出量的變化。另外，本課題在其它研究的基礎上選擇 Ti 6Al4V(TC4)鈦合金的棒料為切削對象， 其主要內容為： （ 1） 對鈦合金的切削過 程進行研究， 分析各加工參數(shù)對切削力 影響關系 ， 研究其形成的原因 （由于實驗條件的限制，本文 將 已經做出的實驗結果 作為已知條件 ） 。洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 4 第 1 章 鈦合金的性能及應用 鈦合金的化學性能 鈦是銀白色金屬，密度約為 4． 5g/cm3，熔點為 1668℃ ,鈦有兩種同素異構體，密排六方晶格的α鈦和體心立方晶格的β鈦。 鈦又是同素異構體，在低于 882℃時呈密排六方晶格結構，稱 α 鈦；當高于 882 時呈體體心立方晶格結構，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度，淬火、時效后合金得到進一步強化，室溫強度可達 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應用最為普遍，幾乎占當今鈦合金使用總量的一半以上。 (2)比強度高 鈦合金的密度一般在 ，僅為鋼的 60%。但鈦對具有還原性氧及鉻鹽介質的抗蝕性差。鈦合金開始強烈吸收氫、氧和氮的溫度分別為 300℃、 500℃、 600℃。 鈦合金的切削特點 鈦合金的硬度大于 HB350 時切削加工特別困難，小于 HB300 時則容易出現(xiàn)粘刀現(xiàn)象，也難于切削。 (2)切削溫度高：由于鈦合金的導熱系數(shù)很?。ㄖ幌喈斢?45 號鋼的 1/5～1/7） ,切屑與前刀面的接觸長度極短，切削時產生的熱不易傳出，集中在切削區(qū)和切削刃附近的較小范圍內，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，刀具很容易產生粘結磨損。 鈦合金在軍事方面的應用：鈦最早的應用，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)學方面的應用：生物醫(yī)用材料是材料科學的一個重要分支，是用于診斷、治療或替代人體組織、器官或增進其功能、具有高技術含量和高經濟價值的新型載體材料，是材料科學技術中一個正在發(fā)展的新領域。發(fā)達國家和世界知名體內植入物產品供應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計與開發(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，從而達到使患者早日康復的目的。鈦合金同時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：擊劍防護面罩 、冰刀、釣魚桿、釣魚用繞線架、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?。TC4 的化學成份和機械性能如表 和表 所示 表 TC4 化學成分表 元素 C Fe N O Al V H Ti 含量 ～ ～ 余量 表 TC4 機械性能表 材料 Ti6Al4V（ TC4） 抗拉強度（ MPa） 993 屈服強度（ MPa） 830 彈性模量 114 硬度（ HRC） 36 刀具材料 切削加工鈦合金應從降低切削溫度和減少粘結兩方面出發(fā)，選用硬性好、抗彎強度高、導熱性能好、與鈦合金親和性差的刀具材料， YG 類硬質合金比較合適。其實驗方案的設定見下表： 表 為切削力隨進給量變化的單因素實驗方案，進給量 (mm/r)的水平設為： 、 、 、 、 、 、 。為了減少試驗次數(shù)，又得到合理的試驗結果，正交試驗法在科學研究中被廣泛應用。同時看出當切削力大于 時，各切削力隨著切削深度的增加而增加。這是因為切削深度增大方向與 Fx的方向一致，因此當切削深度增加時， Fx 和 Fz增加比較顯著。切削深度一般應小于 1mm，而進給量在盡可能小的同時，要大于其硬化層的厚度，一般應在 。由于鈦合金的導熱系數(shù)很小 (只相當于 45 號鋼的 1/5～ 1/7)，切屑與前刀面的接觸長度極短，切削時產生的熱不易傳出，集中在切削區(qū)和切削刃附近的較小范圍內，切削溫度很高，鈦合金加工過程中的高溫軟化現(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） 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 14 50m/min 范圍內切削力隨切削速度的增加而減小。此外當速度由低速逐漸增大時會使積屑瘤增大，切削瘤增大使刀具的實際前角也增多，從而使切削力變小；當切削速度繼續(xù)增大時，積 屑瘤又逐漸減小。劃分有限元時，供選擇的單元類型有：一維梁單元，二維殼類單元，三維實體單元。 (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果，以便明顯看出哪一部分是否失效和怎樣改進設計。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 16 DEFORM3D 是一套基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元系統(tǒng) (FEM)，專門用于設計分析各種金屬成形過程中的三維流動，在一個集成環(huán)境內綜合建模、成形、熱傳導和成形設備特性進行模擬仿真分析。系統(tǒng)中集成了在任何必要時能夠自行觸發(fā)自動網(wǎng)格重劃生成器，生成優(yōu)化的網(wǎng)格系統(tǒng)。 (3)DEFORM3D 模型來自 CAD 系統(tǒng)的面或實體造型 (STL／ SLA)格式。 (7)具有 FLOWNET 和點跡示蹤、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，這對于 3D 過程模擬極為重要。也可進入前處理進行更詳細的設置，如網(wǎng)格密度框。 (3)生成模型 (刀具和工件 )根據(jù)實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導逐步進行，如圖 32 所示。 (5)進入后處理界面對刀具和工件進行分析。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，因而將產生較大的計算誤差，特別是三角形單元和四面體單元。因此，對于涉及大變形的復雜金屬加工過程，很難用一成不變的網(wǎng)格把變形過程模擬到底。對于在 DEFORM3D 中，實體都是劃分為 四 面體 單 元。另外，一個好的分離準則的臨界值在切削材料確定后，不應該隨著切削條件的變化而變化。目前對于材料在切削狀況下的本構關系的研究并不多，一方面是因為做材料試驗比較復雜和昂貴，另一方面是因為一般的試驗只能提供有限應變率 (10000/s)和應變 (約 )的材料數(shù)據(jù)，因此很多研究都基于己有的材料本構模型來展開的。 在模擬中，沒有設置把力作為固定工作的條件，一是切削力等都沒有確定，不好確定力的大小，二是增加固定力會引起不必要的后果，增加了工件的變形。在這個過程中，刀具不斷地擠壓和剪切工件，使工件在高溫、高速下產生塑性變形；反過來，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理工學院畢業(yè)設計（論文） 21 求解大變形問題，是以增量加載 (變形 )過程來逼近連續(xù)塑性變形過程的實際規(guī)律。本仿真中等時間步長中按照每一步 刀具前進的距離進行設定，大小為 。在切削過程 中，切削力直接決定著切削熱的產生，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量等。 模擬過程與實際的切 削過程一樣，也分為初始和穩(wěn)態(tài)的過程。由于仿真過程畢竟受到計算機硬件條件和軟件計算能力的限制，單元數(shù)目不可能無限的多，因此在切削刃周圍的切屑和母體發(fā)生分離時，原本相互作用的單元失去 了聯(lián)系，切削力就會發(fā)生一定程度的波動，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，切洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 23 屑的分離對切削力 (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量。如果切削熱投有及時地從切屑和工件傳導出去，切削區(qū)溫度就較高，使刀具磨損加快。 洛陽理工學院畢業(yè)設計（論文） 27 表 42 切削溫度的仿真結果 序號 1 2 3 4 5 6 7 8 切削溫度 608 651 685 761 634 635 764 758 序號 9 10 11 12 13 14 15 16 切削溫度 716 734 697 685 768 761 674 636 對表 42 的數(shù)據(jù)進行分析 可知： 切削速度對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。切削力在切削過程表現(xiàn)出來的物理現(xiàn)象中是最穩(wěn)定，可重復性強，而又簡單易測的物理量?？梢园l(fā)現(xiàn)，除了兩者具有共同的發(fā)展趨勢外，切削力的仿真值和試驗值還具有合理的一致性。在這里設計主軸箱主要從主傳動系統(tǒng)的運動設計方面進行。缺點是有一個傳動組內有四個傳動副。接近電動機處的零件，轉速較高，從而轉矩較小，尺寸也就較小。 （ 2） 結構網(wǎng)和結構式各種方案的選擇 在 12=3 2 2 中，又因基本組和擴大組排列順序的不同而有不同的方案。因此，主傳動鏈任一傳動 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 的第二擴大組 x2 = 6,p2 = 2,則 R2 = φ6(2?1) = = ,則 R2 = = 8 = Rmax，是可行的。因為如果方案同號傳動軸的最高轉速相同，則變速范圍小的，最低轉速較高，轉矩較小，傳動件的尺寸也就可以小些。根據(jù)機床所需功率選擇 Y132M26，其同步轉速為 1000r/min。 （ 4）繪制轉速圖 先按傳動軸數(shù)及主軸轉速級數(shù)格距 lgφ畫出網(wǎng)格，用以繪制轉速圖。注明主軸的各級轉速。即先決定軸Ⅲ的轉速。 同理，對于軸可取 ia1 = 11, ia2 = 1φ2 = 12, ia3 = 1φ = 這樣就確定了軸Ⅰ的轉速為 660r/min。查參考文獻[5]表 21，結果如下： 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