【正文】 等。而試驗(yàn)研究一直在金屬切削溫度研究中占主導(dǎo)地位。 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。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。 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。在預(yù)先收集工件流動(dòng)應(yīng)力數(shù)據(jù)和在高應(yīng)變率和高溫下的摩擦系數(shù)的基礎(chǔ)上，利用有限元軟件 DEFORM3D 仿真切削過(guò)程。金屬切削過(guò)程是一個(gè)十分復(fù)雜的過(guò)程，切削工藝主要是通過(guò)刀具在材料表面切除多余的材料層來(lái)獲得理想的工件形狀、尺寸以及表面光潔度的機(jī)械加工方法。洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 車削加工鈦合金過(guò)程的有限元模擬 摘 要 改革開(kāi)放以來(lái)，由于生產(chǎn)技術(shù)的不斷提高，各種材料得到了充分利用，特別是鈦合金的開(kāi)發(fā)利用， 正越來(lái)越多的應(yīng)用在生產(chǎn)生活的各個(gè)方面。 本文對(duì)鈦合金的切削性能進(jìn)行了研究。本文的目的之一就是建立一個(gè)切削過(guò)程仿真的有限元模型，預(yù)報(bào)切削力和切削溫度。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。常用的有 YG YG YG6X、 YG6A、 YS2T、 YD1 YA6 等。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。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。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。 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。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。另外，本課題選擇的 DEFORM3D 軟件進(jìn)行有限元仿真分析。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 。 （ 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。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。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。 (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。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。 (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。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。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。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。 (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。 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。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。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。 鈦合金在民用領(lǐng)域方面的應(yīng)用：鈦合金在自行車行業(yè)、汽車行業(yè)及體育行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。 鈦制品應(yīng)用勢(shì)頭發(fā)展迅猛的另一行業(yè)是汽車業(yè)。洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 2 章 車削鈦合金實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 實(shí)驗(yàn)相關(guān)材料 工件材料 材料選用 Ti6Al4V（ TC4）鈦合金的棒料。因此本文選擇了 YG6X 刀片。 表 ：切削力隨進(jìn)給量變化的實(shí)驗(yàn)條件 切削速度（ m/min） 切削深度（ mm） 潤(rùn)滑方式 50 干切削 表 為切削力隨切削深度變化的單因素實(shí)驗(yàn)方案，切削深度（ mm/r）的水平設(shè)為 :、 、 、 、 、 、 2。在正交試驗(yàn)中，試驗(yàn)樣本不是隨即選取的，而是按照正交表來(lái)選取和安排的，使得每一個(gè)影響因素的不同水平的試驗(yàn)次數(shù)相同，且和不同因素的各水平相遇幾率相等。三個(gè)方向力的由大到小的排列為 Fz、 Fy 和 Fx。另外對(duì)比圖 21 與 22 可以看出切削深度對(duì)切削力大小的影響要比進(jìn)給量大，這是由于切削深度或進(jìn)給量增加時(shí)，切削面積增大，彈塑性變形總量增加，從而使切削力增大。 圖 22 切削力隨切削深度的變化規(guī)律 由圖 23 可以看出切削力隨切削速度的變化。由于鈦的化學(xué)活性大，在高的切削溫度下 ，容易吸收空氣中的氧和氮形成硬而脆的外皮。當(dāng)積屑瘤消失時(shí)，切削力達(dá)到最大。一般有載荷和邊界條件的地方，單元?jiǎng)澐值拿芤恍?，而結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定和牢固的地方，單元?jiǎng)澐值南∈枰恍? 分析了計(jì)算結(jié)果以后，可以由計(jì)算結(jié)果來(lái)發(fā)現(xiàn)模型受力最大、變形最大的區(qū)域，然后將此區(qū)域的網(wǎng)格再細(xì)分，以便重新計(jì)算，得到更精確的解，有了精確解，即可以對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，重新計(jì)算分析。適用于熱、冷、溫成形，包括鍛造、擠壓、徽粗、軋制、自由鍛、彎曲、機(jī)械加工和其它成形加工手段。在要求精度較高的區(qū)域，可以劃分較細(xì)密的網(wǎng)格，從而降低題目的規(guī)模，并顯著提高計(jì)算效率。 (4)材料模型有彈性、剛塑性、熱彈塑性、熱剛粘塑性、粉末材料、剛性材料及自定義類型。 (8)具有 2D 切片功能，可以顯示工件或模具剖面結(jié)果。 DEFORM3D 延續(xù)了 DEFORM 系統(tǒng)幾十年來(lái)一貫秉承的力保計(jì)算準(zhǔn)確可靠的系統(tǒng)。利用加工向?qū)нM(jìn)行的設(shè)置主要步驟有： (1)進(jìn)入 DEORM3D 主界面。在本仿真中切削條件的可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置(圖 33)。 圖 前處理界面 圖 31 前處理界面 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 圖 32 仿真模型生成向?qū)? 圖 34 仿真模型圖 圖 33 切削條件的設(shè)定 DEFORM3D 中切削加工過(guò)程有限元模型建立的主要注意點(diǎn) 網(wǎng)格劃分的設(shè)置 金屬在塑性加工過(guò)程中，形狀簡(jiǎn)單、規(guī)則的材料經(jīng)過(guò)一系列中間過(guò)程，轉(zhuǎn)變到形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，其變形量特別大。網(wǎng)格嚴(yán)重扭曲，在進(jìn)行等參變換時(shí)將使雅克比 (Jocbaiml)行列式的值出現(xiàn)零或負(fù)值，使計(jì)算難以進(jìn)行下去。為了解決上述問(wèn)題，提高有限元模擬復(fù)雜大變形問(wèn)題的能力，網(wǎng)格變形到一定程度以后，必須停止計(jì)算，重新劃分適合于計(jì)算的網(wǎng)格，然后再繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算。 如 果由 其 它網(wǎng) 格 劃分 工 具 劃分 好 的模 型 輸入 到DEFORM3D 中，將不能重劃分網(wǎng)格。目前，在有限元模擬中已經(jīng)提出了各種切削的分離準(zhǔn)則，這些準(zhǔn)則可以分為兩種類型：幾何準(zhǔn)則和物理準(zhǔn)則。 采用已有的材料本構(gòu)模型只能在一定程度上反映切削模擬的真實(shí)性，本文中使用的就是 DEFORM3D 材料庫(kù)中自帶的 Ti 6Al4V。 工件底面的 X， Z 方向的速度都設(shè)置為零，工件的前端面 Y 方向的速度設(shè)置為零，這樣工件在三個(gè)方向上都被固定了。因此，在金屬切削加工過(guò)程中，工件以及切屑和刀具接觸是動(dòng)態(tài)變化的。具體地說(shuō)，先把整個(gè)連續(xù)變形過(guò)程分為若干增量區(qū)間，在每個(gè)增量區(qū)間內(nèi)近似為準(zhǔn)靜態(tài)變形處理，即以上一增量步求解結(jié)果 (如工件外形、接觸邊界、應(yīng)變狀態(tài)、溫度場(chǎng)等 )作為本增量區(qū)間的分析考慮初始狀態(tài)，并認(rèn)為各瞬態(tài)場(chǎng)量 (如速度場(chǎng)、應(yīng)變率場(chǎng)等 )在該區(qū)間內(nèi)恒定不變，一旦獲得收斂的速度場(chǎng)，則可根據(jù)該增量區(qū)間長(zhǎng)度 (增量步長(zhǎng) )調(diào)整各狀態(tài)量，如此反復(fù)直至變形過(guò)程結(jié)束。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 第 4 章 仿真分析 概述 材料的切削性能是多方面的，相應(yīng)地其評(píng)價(jià)指標(biāo)也有很多種。在生產(chǎn)中，切削力是計(jì)算切削功率，制定切削用量，監(jiān)控切削狀態(tài)，設(shè)計(jì)和使用機(jī)床、刀具、夾具的必要依據(jù)。當(dāng)?shù)毒叱跏记腥霑r(shí)，材料的塑性變形隨著刀具的向前推進(jìn)而不斷增大，刀．屑接觸長(zhǎng)度進(jìn)一步增加，摩擦力逐步增大，并開(kāi)始產(chǎn)生摩 擦熱，剪切帶也逐漸成形，切削力不斷增大。采用第 2 章中建立的正交實(shí)驗(yàn)因素的切削條件和刀具尺寸參數(shù)，分別進(jìn)行多次仿真，最終得到如表 41 所示的切削力結(jié)果。切削熱主要有兩個(gè)來(lái)源，在刀具的切削作用下，切削層金屬發(fā)生彈性變形和塑性變形，這是切削熱的一個(gè)來(lái)源。所以，研究切削熱和切削溫度的產(chǎn)生和變化規(guī)律，是研究金屬切削過(guò)程的重要方面。其原因是：當(dāng)切削速度提高時(shí)，單位時(shí)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。這是因?yàn)檫M(jìn)給量增大使單位時(shí)間內(nèi)的金屬切除量增多，消耗的切削功和由此轉(zhuǎn)化成的熱量也將增加，使切削溫度上升。 切削溫度隨著切削深度的增加而增大，但是溫度增 加的不是十分明顯。而且切削力是反映切削過(guò)程的一個(gè)重要指標(biāo)，它直接決定著切削熱的產(chǎn)生，并影響刀具磨損、破損、使 用壽命、工件的加工精度和已加工表面質(zhì)量。切削力的平均誤差均在 4%左右，最小誤差不到 1%；最大誤差為 %。 主傳動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)有 :確定極限轉(zhuǎn)速、確定公比、確定轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)、確定結(jié)構(gòu)網(wǎng)和結(jié)構(gòu)式、繪制轉(zhuǎn)速圖、確定齒輪齒數(shù)和擬定傳動(dòng)系統(tǒng)圖。如果用一個(gè)四聯(lián)滑移齒輪，剛會(huì)增加軸向尺寸，如果用兩個(gè)雙聯(lián)滑移齒輪，則操縱機(jī)構(gòu)必須互鎖以防止兩個(gè)滑移齒輪同時(shí)嚙合。如使傳動(dòng)副較多的傳動(dòng)組放在接近電動(dòng)機(jī)處，則可使小尺寸的零件多些，大尺寸的零件就可以少些，就省材料了?？赡艿牧N方案，其結(jié)構(gòu)網(wǎng)和結(jié)構(gòu)式見(jiàn)下圖。在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證中間傳動(dòng)軸的變速范圍最小。方案 d 和 f， x2 = 4,p2 =3,R2 = φ4(3?1) = φ8 = 16 Rmax， 是不可行的。比較圖 51 的方案 a、 b、 c、 e，方案 a 的中間傳動(dòng)軸變速范圍最小，故方案 a 最佳。 (2)分配總降速傳動(dòng)比 總降速比為 30/1320=1/44,考慮是否需要增加定比傳動(dòng)副，以使轉(zhuǎn)速數(shù)列符合標(biāo)準(zhǔn)或有利于減少齒輪及徑向與軸向尺寸，并分擔(dān)總降速傳動(dòng)比。所選定的結(jié)構(gòu)式共有三個(gè)傳動(dòng)組，變速機(jī)構(gòu)共需 4 軸。電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)速也應(yīng)在電動(dòng)機(jī)洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 32 軸上注明。 傳動(dòng)組 c 的變速范圍為，可知兩個(gè)傳動(dòng)副的傳動(dòng)比必然是前文敘述的極限值： ic1 = φ21 = 21, ic2 = 1φ4 = 14 這樣就確定了軸Ⅲ的六種轉(zhuǎn)速只有一種可能，即為 11 16 23 460、 660r/min。電動(dòng)機(jī)軸與軸Ⅰ之間為帶傳動(dòng)，傳動(dòng)比接近 1 2? = 1 φ2? 。可取 Sz =72，從表中查出小齒輪齒數(shù)分別為 3 2 30。 （ 3） 傳動(dòng)組 c 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 查表 , ic1 = 2， ic2 = 1/4 ic1 = 2時(shí)： Sz =?? ,10 10 10 10 10 110?? ic2 = 1/4時(shí)： Sz =?? ,10 10 10 10 10 10 110?? 可取 Sz =105. ic1 = 2為升速傳動(dòng)，取軸Ⅳ齒輪齒數(shù)為 35。 其中定位心軸與零件的接觸配合很短，只限制了零件的兩個(gè)自由度。安全系數(shù) K = K1K2K3K4。 （ 2）基準(zhǔn)位移誤差 定位元件限位基面的尺寸為 ?60++ ，工件定位基面的尺寸為 ?60 0+，故基準(zhǔn)位移誤差 ?Y= ? = 。雖然過(guò)程很繁瑣，但我覺(jué)得很充實(shí)。在實(shí)驗(yàn)的同時(shí)，得到切削三要素對(duì)切削力的影響，進(jìn)一步驗(yàn)證了它們之間的關(guān)系。 通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我對(duì)大學(xué)三年所學(xué)的知識(shí)有了一個(gè)系統(tǒng)的總結(jié)，形成了完整的知識(shí)體系， 構(gòu)成了一個(gè)知識(shí)網(wǎng)絡(luò)， 拓展了知識(shí)面 。 本次設(shè)計(jì)一開(kāi)始，李老師就幫助我們查閱資料 、選題、選擇 方案，甚至小到一個(gè)軟件的安裝。在這里請(qǐng)接收我真心的謝意。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 40 參考文獻(xiàn) [1]李傳民，王向麗，閆華軍 . 金屬成形有限元分析實(shí)例指導(dǎo)教程 . 北京 : 機(jī)械工業(yè) 出版社 , [2]張莉，李升軍 . 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