【正文】 十組仿真進(jìn)行仿真分析，仿真數(shù)據(jù)結(jié)果如下表 31。 Usui 粘接磨損特征公式表明，磨損率取決于刀面溫度、刀／屑和刀／工界面上的正壓力以及相對滑動速度，即 ? ?? dtTCvW fs )/e x p ( ?? （ 21） 式中， sv 為工件材料相對于刀具的滑動速度； f? 為正壓力； T為刀面絕對溫度； C 與 ? 為特征常數(shù)，由試驗(yàn)刀具與工件材料的不同組合，依賴于切削溫度 T 而確定的。故本文采用 Usui 磨損模型對刀具的磨損進(jìn)行預(yù)測。而物理準(zhǔn)則主 要是基于制定的一些物理量的值是否達(dá)到了臨界值而設(shè)定的。此外，根據(jù)接觸條件，柔體相對于剛體應(yīng)用更致密的網(wǎng)格。 表 25 工件及刀具材料物理性能參數(shù) 性能 材料 楊氏模量 （ GP） 泊松比 熱傳導(dǎo)率 （ N/sec/℃ ) 熱容 （ N/mm2 /℃ ) Ti6Al4V 不考慮 隨溫度變化 Carbide(Cobalt15%) 524 59 網(wǎng)格劃分 不同的單元形狀對計(jì)算的結(jié)果和精度有很大的影響，應(yīng)該根據(jù)所處理問題的實(shí) 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 10 際情況選擇不同的單元類型。本文為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性所采用的刀具及工件幾何模型皆為DEFORM 一 3D 所提供。 (2)進(jìn)入切削加工前處理界面，如右圖 21所示 (3)選 擇 Machining 選項(xiàng)進(jìn)入，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。此外，正確的簡化模型不僅可以提高計(jì)算結(jié)果的精度，并且可以大大的減少計(jì)算的時(shí)間。完成切削模型前處理過程后，用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊文件目錄菜單下的． DB文件，接著點(diǎn)擊 DEFORM 主窗口右側(cè) Simulator 標(biāo)題下的 run 選項(xiàng)， 則可開始切削過程的模擬。真正的有限元分析過程是在求解器中完成的。 DEFORM3D 軟件的模塊結(jié)構(gòu)是由前處理器、求解器和后處理器三大模塊組成。 DEFORM 通過在計(jì)算機(jī)上模擬整個金屬成形過程，幫助技術(shù)人員設(shè)計(jì)加工模具和產(chǎn)品工藝流程，從而減少了昂貴的現(xiàn)場試驗(yàn)成本；通過提高 工模具設(shè)計(jì)效率，從而降低生產(chǎn)和材料成本，縮短新產(chǎn)品的研究開發(fā)周期。提供三種迭代計(jì)算方法： Newton． Raphson、 Direct INteration 和 Explicit，用戶可根據(jù)不同工況、不同材料性能選擇不同計(jì)算方法。所以本文采用 DEFORM 軟件來進(jìn)行高速切削TC4 鈦合金的車削仿真。系統(tǒng)中集成了在任何時(shí)候能夠自行觸發(fā)自動網(wǎng)格重劃的生成器，生成優(yōu)化的網(wǎng)格系統(tǒng)。 20xx 年，許鴻昊等從裝央方式的角度研究了拉伸裝央方式對鈦合金 TC4 加工表面質(zhì)量的影響。 (5)刀具易磨損：毛坯經(jīng)過沖壓、鍛造、熱軋等方法后，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。 (2)切削溫度高：由于鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)： λ=(m 鈦的彈性模量 E=108GPa，而合金鋼的彈性模量為 206GPa，碳鋼的彈性模量為196206GPa。 在大多數(shù)介質(zhì)中，特別在中性、氧化性和海水中有很高的耐蝕性。在最近的國際范圍復(fù)雜零件成形模擬招標(biāo)演算中， DEFORM 3D 的計(jì)算精度和結(jié)身可靠性，被國際成形模擬領(lǐng)域公認(rèn)為第一。接下來通過多次變換參數(shù)進(jìn)行動態(tài)仿真，最后運(yùn)用單變量分析法對仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析繪制鈦合金高速切削過程中溫度和切削力的變化規(guī)律圖。 要求采用 DEFORM3D 有限元分析軟件進(jìn)行三維動態(tài)切削仿真，采用單變量分析方法分析仿真結(jié)果。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)） 鈦合金高速切削仿真研究 High speed cutting of titanium alloy simulation research 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。 作者簽名： 日期： 年 月 日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。 主要參考 金屬成形有限元分析實(shí)力指導(dǎo)教程（李傳民、王向麗、閆華軍等編著） 進(jìn)度安排：開學(xué)第一個月，進(jìn)行基礎(chǔ)知識搜集學(xué)習(xí)； 第二個月，進(jìn)行建模仿真，分析仿真結(jié)果； 第三個月，書寫畢業(yè)論文。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。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。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(jī)鹽、堿性溶液和有機(jī)酸中的耐蝕性也很高。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。K)，非常小，切屑與前刀面的接觸長度極短，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。另外，由于鈦合金對刀具材料的化學(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。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(yīng)力和增大殘余應(yīng)力層厚度。在要求精度較高的區(qū)域，可以劃分較細(xì)密的網(wǎng)格，從而降低運(yùn)算規(guī)模，并顯著提高計(jì)算效率。 DEFORM 具有友好的用戶圖形界面，操作簡單方便。 DEFORM 采用的多種控制選項(xiàng)和用戶子程序使用戶在定義和分析問題時(shí)有很大的靈活性。 DEFORM3D 的特點(diǎn) DEFORM3D 具有以下特點(diǎn)： DEFORM3D 是一個集成環(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。 (1)前處理器。 DEFORM 運(yùn)行時(shí)，首先通過有限元離散化將平衡方程、本構(gòu)關(guān)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(jìn)行求解，求解的結(jié)果以二進(jìn)制的形式進(jìn)行保存，用戶可以在后處理器中獲取所需要的結(jié)果。在主窗口的 Message 和 Log 標(biāo)簽下可以查看運(yùn)行過程中每一步時(shí)間起止、煙臺大學(xué)畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 7 節(jié)點(diǎn)、接觸等狀況。故本文作如下假設(shè)： 在切削過程中，機(jī)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)。生成模型的步驟可以利用加工向?qū)е鸩竭M(jìn)行，如圖 22 所示。圖 24 為鈦合金切削的三維有限元模型示意圖。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(diǎn)六面體單元和混和 四面體單元。 根據(jù)上述網(wǎng)格劃分原則，本文對工件和刀具進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，如圖 26 和圖 27 所示。 DEFORM3D 所提供的 的分離準(zhǔn)則有以下三個： (1)缺省準(zhǔn)則當(dāng)接觸節(jié)點(diǎn)的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力大于 O． 1 MPa 時(shí)，節(jié)點(diǎn)分離。 Usui 磨損模型由Usui等在 1978 年建立。 在本文中，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值取 c =， ? =855。 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。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(yīng)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。 不同變量對切削溫度的影響 由于在切削機(jī)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。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。 （ 4）進(jìn)行了多組切削過程的模擬仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行了匯總對比分析。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(jìn)行深入的研究。論文的每一個階段都與導(dǎo)師的耐心幫 助是分不開的。 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(jī)理方面還需要更深入的研究。這是由于當(dāng)切削深度增加時(shí)，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。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。 切削深度和進(jìn)給量對切削力的影響 為了更明確的研究切削深度與進(jìn)給量對切削力的影響，分別以切削深度和進(jìn) 給量的四個不同值為橫坐標(biāo)，各值對應(yīng)測得的各軸切削力平均值為縱坐標(biāo)，仿真過 程中切削力與切削深度和進(jìn)給量的關(guān)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(jìn)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(jìn)給量的增大均增大，因 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 17 為切削深度 (即背吃刀量口 f)與進(jìn)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。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(shí)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(jìn)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(xué)畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 13 為這一方向相當(dāng)于切削的主運(yùn)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。在眾多指標(biāo)中，切 削力、切削溫度是反映材料切削性能的主要指標(biāo)，在科研生產(chǎn)中也是最為常用的，特 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 12 別是在鈦合金的切削中，這幾個指標(biāo)尤為重要。通過將能量法、實(shí)驗(yàn)法和有限差分法相結(jié)合，并對刀一屑接觸條件進(jìn)行簡化和假設(shè)， Usui 對前刀面的月牙灃磨損進(jìn)行了預(yù)測。 (3)絕對壓力準(zhǔn)則當(dāng)接觸節(jié)點(diǎn)的壓應(yīng)力大于預(yù)設(shè)值時(shí)，節(jié)點(diǎn)分離。 圖 26 工件網(wǎng)格劃分 圖 27 刀具網(wǎng)格劃分 刀屑分離準(zhǔn)則 與一般的金屬塑性成形不同的是，切削加工是一個使被加工材料不斷產(chǎn)生分離 的過程。 Deform3D 采用的是經(jīng)過特殊處理的四面體單元。在本研究中，假定刀具材料為剛性材料，因其強(qiáng)度、 硬度遠(yuǎn) 遠(yuǎn)高于工件材料，所以在切削過程中產(chǎn)生的應(yīng)變非常小，分析時(shí)只考慮其摩擦、熱傳導(dǎo)等影響。最終生成圖 24 所示的仿真模型。因此假定機(jī)床、夾具是剛性體。在模擬過程中，不僅可以隨時(shí)中斷和結(jié)束模擬，還可以進(jìn)入后處理器觀察模擬效果。 DEFORM 軟件的后處理器主要是對有限元計(jì)算產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù) 進(jìn)行解釋，用于顯示計(jì)算結(jié)果，結(jié)果可以是圖形形式，也可以是數(shù)字、文字混編的形式，獲取的結(jié)果可為每一步有限元