【正文】 對(duì)于這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我要特別向我的指導(dǎo)老師李彬老師表示由衷的感謝。 最后我要向在百忙之中評(píng)閱本文的各位老師表示由衷的感謝，并感謝母校 — 洛陽(yáng)理工學(xué)院對(duì)我的栽培。每周都幫助我們解決遇到的難題， 指定設(shè)計(jì)進(jìn)度，修改制圖中的錯(cuò)誤。在對(duì)車(chē)床 和夾具 的設(shè)計(jì)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了自己以前所學(xué)知識(shí)的薄弱環(huán)節(jié)。 （ 3） 故 ?D= ?B + ?Y= 即最大側(cè)隙能滿(mǎn)足零件的精度要求。底面限制了零件的三個(gè)自由度，側(cè)面削邊銷(xiāo)限制了零件的沿軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，限制了一個(gè)自由度，故共限制了六個(gè)自由度。即 可得軸Ⅱ上的三聯(lián)齒輪齒數(shù)分別為： 3 4 42。 隨后決定軸Ⅱ的轉(zhuǎn)速。加上電動(dòng)機(jī)軸共 5軸。 繪制轉(zhuǎn)速圖 （ 1）選定電動(dòng)機(jī) 一般金屬切削機(jī)床的驅(qū)動(dòng)，如無(wú)特殊性能要求，多采用 Y 系列封閉自扇冷式鼠籠型三相異步電動(dòng)機(jī)。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 在檢查傳動(dòng)組的變速范圍時(shí)，只需檢查最后一個(gè)擴(kuò)大組。這就是“前多后少”的原則。 確定極限轉(zhuǎn)速 根據(jù)鈦合金的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)主軸的最低轉(zhuǎn)速 nmin =30r/min, 最高轉(zhuǎn)速nmax=1320r/min，變速范圍 Rn=nmax/nmin=44。因此，切削力的預(yù)報(bào)是否與試驗(yàn)結(jié)果吻合，直接決定著仿真模型的可靠性和可信度。但隨著進(jìn)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。圖 44 顯示了在形成穩(wěn)定切削時(shí)，工件溫度變化的分布情況和最高溫度的顯示。 圖 41 切削過(guò)程模擬示意圖 圖 42 和圖 43 為任意一種切削條件下，形成穩(wěn)定切削后切削力的變化曲線(xiàn)。因此，研究切削力的規(guī)律和計(jì)算方法，分析切削溫度和刀具應(yīng)力的大小有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。增量步長(zhǎng)的大小就直接影響到有限元求解的精度和效率。刀具的切削速度設(shè)置為沿 Y 軸方向，具體數(shù)值以實(shí)際情況而設(shè)定。幾何準(zhǔn)則主要通過(guò)變形體的幾個(gè)尺寸的變化來(lái)判斷分離與否；物理準(zhǔn)則主要是基于制定的一些物理量的值是否達(dá)到了臨界值而建立的。 對(duì)于切削這種大的塑性變形問(wèn)題，應(yīng)該采用自適應(yīng)網(wǎng)格重劃分技術(shù)，隨著刀具的進(jìn)給，正在被切削加工的部分應(yīng)一該實(shí)現(xiàn) 網(wǎng)格細(xì)化，而沒(méi)有加工的部位和加工過(guò)的部分，網(wǎng)格應(yīng)該租劃，這樣既解決了局部變形的精確求解，又節(jié)省了求解時(shí)間以及內(nèi)存的消耗。除了材料內(nèi)部變形較大外，變形材料與刀具邊界處于動(dòng)態(tài)接觸和脫離的變化過(guò)程中，材料邊界形狀變化也非常大。 (2)進(jìn)入切削加工前處理界面，如圖 31 所示。 (9)自定義過(guò)程可用于計(jì)算流動(dòng)應(yīng)力、沖壓系統(tǒng)響應(yīng)、斷裂判據(jù)和一些特別的列理要求，如：金屬微結(jié)構(gòu)，冷卻速率、機(jī)械性能等。具體的來(lái)說(shuō)， DEFORM 具有以下的典型特點(diǎn)： (1)不需要人工干預(yù)，全自動(dòng)網(wǎng)格再剖分。 有限元軟件 DEFORM3D 介紹 有限元技術(shù)在金屬塑性成形方面理論研究的迅猛發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的成熟，出現(xiàn)了像美國(guó)的 ALPID、 DEFORM、 AUTO． FORGE 以及法國(guó)的FORGE3 等專(zhuān)業(yè)有限元數(shù)值分析系統(tǒng)。 圖 23 切削力隨切削速度的變化規(guī)律 05010015020025030030 35 40 45 50 55 60 70 80切削力（N） 切削速度（ m/min） Fx（ N） Fy（ N） Fz（ N） 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 第 3 章 鈦合金車(chē)削有限元仿真 有限元分析方法過(guò)程 利用有限元分析可以解決線(xiàn)性穩(wěn)定類(lèi)型的物體模型、動(dòng)態(tài)物體模型、熱傳導(dǎo)模型、場(chǎng)問(wèn)題模型 (電場(chǎng)、磁場(chǎng)、流變場(chǎng)等 )等，目前，有限元法已經(jīng)發(fā)展成為一種在工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用的分析方法。當(dāng)速度在 30m/min～50m/min 的時(shí)候切削力隨速度的增大而變小，當(dāng)速度在 50m/min～ 80m/min的時(shí)候切削力隨速度的增大而增大。由金屬切削原理可知，切削力與切削面積成正比，當(dāng)切削深度增加時(shí)，切削面積增大，所以切削力隨著切削深度的增加而增加。 表 ：切削力隨切削深度變化的實(shí)驗(yàn)條件 切削速度（ m/min） 進(jìn)給量（ mm/r） 潤(rùn)滑方式 50 干切削 表 為切削力隨切削速度變化的單因素實(shí)驗(yàn)方案，切削速度（ m/min）的水平設(shè)為： 3 4 50、 5 60、 70、 80。這是一種高強(qiáng)度鈦合金，為α +β型合金，回火溫度達(dá)到 400℃。作為制作高檔自行車(chē)架的材料應(yīng)具有 較高的強(qiáng)度和硬度，鈦合金將是一種極好的選擇。至今，鈦已在航空航天、核能、艦船、兵器等諸多領(lǐng)域獲得越來(lái)越多的應(yīng)用，成為重要的戰(zhàn)略 金屬材料。冷硬現(xiàn)象不僅會(huì)降低零件的疲勞強(qiáng)度，而且能加劇刀具磨損，是切削鈦合金時(shí)的一個(gè)很重要特點(diǎn)。鈦合金有如下切削特點(diǎn)： (1)變形系數(shù)?。哼@ 是鈦合金切削加工的顯著特點(diǎn)，變形系數(shù)小于或接近于 1。因此，鈦合金也是一種重要的低溫結(jié)構(gòu)材料。 鈦合金所具有許多優(yōu)良特性，主要表現(xiàn)在： (1)熱強(qiáng)度高 鈦合金熱穩(wěn)定性好、高溫強(qiáng)度高。室溫下，鈦合金有 3 種基體組織，鈦合金也就分為以下 3 類(lèi)： (1) α 相鈦合金 (用 TA 表示 ) 它是 α 相固溶體組成 的單相合金，不論是在一般溫度下還是在較高的實(shí)際應(yīng)用溫度下，均是 α 相，組織穩(wěn)定，耐磨性高于純鈦，抗氧化能力強(qiáng)。 （ 3） 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證有限元分析的可行性。在最近的國(guó)際范圍復(fù)雜零件成形模擬招標(biāo)演算中， DEFORM3D 的計(jì)算精度和結(jié)身可靠性，被國(guó)際成形模擬領(lǐng)域公認(rèn)為第一。同時(shí)由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā) 展使得利用數(shù)值模擬方法來(lái)研究切削加工過(guò)程以及各種參數(shù)之間的關(guān)系成為可能。而試驗(yàn)研究一直在金屬切削溫度研究中占主導(dǎo)地位。通常在粗車(chē)和斷續(xù)車(chē)削時(shí)采用 YG8 刀片，精車(chē)和連續(xù)車(chē)削時(shí)用 YG3 刀片，一般加工則用 YG6X 刀片。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。洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） I 車(chē)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。常用的有 YG YG YG6X、 YG6A、 YS2T、 YD1 YA6 等。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。 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。另外，本課題選擇的 DEFORM3D 軟件進(jìn)行有限元仿真分析。 （ 2） 建立車(chē)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(chē)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。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。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。 (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。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。 (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。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。 鈦合金在民用領(lǐng)域方面的應(yīng)用：鈦合金在自行車(chē)行業(yè)、汽車(chē)行業(yè)及體育行業(yè)都有廣泛的應(yīng)用。洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 2 章 車(chē)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。 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。三個(gè)方向力的由大到小的排列為 Fz、 Fy 和 Fx。 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。當(dāng)積屑瘤消失時(shí)，切削力達(dá)到最大。 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。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。 (8)具有 2D 切片功能，可以顯示工件或模具剖面結(jié)果。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。 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。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。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(lèi)型：幾何準(zhǔn)則和物理準(zhǔn)則。 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。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。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)。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。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。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。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。 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。在設(shè)計(jì)時(shí)必須保證中間傳動(dòng)軸的變速范圍最小。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。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。 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?？扇?Sz =72，從表中查出小齒輪齒數(shù)分別為 3 2 30。 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。 （ 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= ? = 。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。 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。 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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