【正文】 本次設(shè)計一開始，李老師就幫助我們查閱資料 、選題、選擇 方案，甚至小到一個軟件的安裝。 （ 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= ? = ?？扇?Sz =72，從表中查出小齒輪齒數(shù)分別為 3 2 30。所選定的結(jié)構(gòu)式共有三個傳動組，變速機構(gòu)共需 4 軸。在設(shè)計時必須保證中間傳動軸的變速范圍最小。 主傳動系統(tǒng)的運動設(shè)計有 :確定極限轉(zhuǎn)速、確定公比、確定轉(zhuǎn)速級數(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)和擬定傳動系統(tǒng)圖。這是因為進(jìn)給量增大使單位時間內(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。采用第 2 章中建立的正交實驗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。具體地說，先把整個連續(xù)變形過程分為若干增量區(qū)間，在每個增量區(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)場量 (如速度場、應(yīng)變率場等 )在該區(qū)間內(nèi)恒定不變，一旦獲得收斂的速度場，則可根據(jù)該增量區(qū)間長度 (增量步長 )調(diào)整各狀態(tài)量，如此反復(fù)直至變形過程結(jié)束。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。 圖 前處理界面 圖 31 前處理界面 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（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 中切削加工過程有限元模型建立的主要注意點 網(wǎng)格劃分的設(shè)置 金屬在塑性加工過程中，形狀簡單、規(guī)則的材料經(jīng)過一系列中間過程，轉(zhuǎn)變到形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，其變形量特別大。 (8)具有 2D 切片功能，可以顯示工件或模具剖面結(jié)果。 分析了計算結(jié)果以后，可以由計算結(jié)果來發(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，以便重新計算，得到更精確的解，有了精確解，即可以對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，重新計算分析。 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。 表 ：切削力隨進(jìn)給量變化的實驗條件 切削速度（ m/min） 切削深度（ mm） 潤滑方式 50 干切削 表 為切削力隨切削深度變化的單因素實驗方案，切削深度（ mm/r）的水平設(shè)為 :、 、 、 、 、 、 2。 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。 (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；同時切削過程中的塑性變形也會造成表面硬化。 (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度更高。通過向鈦中添加適當(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。另外，本課題選擇的 DEFORM3D 軟件進(jìn)行有限元仿真分析。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。本文的目的之一就是建立一個切削過程仿真的有限元模型，預(yù)報切削力和切削溫度。在預(yù)先收集工件流動應(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 仿真切削過程。而試驗研究一直在金屬切削溫度研究中占主導(dǎo)地位。在最近的國際范圍復(fù)雜零件成形模擬招標(biāo)演算中， DEFORM3D 的計算精度和結(jié)身可靠性，被國際成形模擬領(lǐng)域公認(rèn)為第一。室溫下，鈦合金有 3 種基體組織，鈦合金也就分為以下 3 類： (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。因此，鈦合金也是一種重要的低溫結(jié)構(gòu)材料。冷硬現(xiàn)象不僅會降低零件的疲勞強度，而且能加劇刀具磨損，是切削鈦合金時的一個很重要特點。作為制作高檔自行車架的材料應(yīng)具有 較高的強度和硬度，鈦合金將是一種極好的選擇。 表 ：切削力隨切削深度變化的實驗條件 切削速度（ m/min） 進(jìn)給量（ mm/r） 潤滑方式 50 干切削 表 為切削力隨切削速度變化的單因素實驗方案，切削速度（ m/min）的水平設(shè)為： 3 4 50、 5 60、 70、 80。當(dāng)速度在 30m/min～50m/min 的時候切削力隨速度的增大而變小，當(dāng)速度在 50m/min～ 80m/min的時候切削力隨速度的增大而增大。 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)展和計算機技術(shù)的成熟，出現(xiàn)了像美國的 ALPID、 DEFORM、 AUTO． FORGE 以及法國的FORGE3 等專業(yè)有限元數(shù)值分析系統(tǒng)。 (9)自定義過程可用于計算流動應(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、機械性能等。除了材料內(nèi)部變形較大外，變形材料與刀具邊界處于動態(tài)接觸和脫離的變化過程中，材料邊界形狀變化也非常大。幾何準(zhǔn)則主要通過變形體的幾個尺寸的變化來判斷分離與否；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。增量步長的大小就直接影響到有限元求解的精度和效率。 圖 41 切削過程模擬示意圖 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。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。 確定極限轉(zhuǎn)速 根據(jù)鈦合金的特點，設(shè)計主軸的最低轉(zhuǎn)速 nmin =30r/min, 最高轉(zhuǎn)速nmax=1320r/min，變速范圍 Rn=nmax/nmin=44。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 在檢查傳動組的變速范圍時，只需檢查最后一個擴(kuò)大組。加上電動機軸共 5軸。即 可得軸Ⅱ上的三聯(lián)齒輪齒數(shù)分別為： 3 4 42。 （ 3） 故 ?D= ?B + ?Y= 即最大側(cè)隙能滿足零件的精度要求。每周都幫助我們解決遇到的難題， 指定設(shè)計進(jìn)度，修改制圖中的錯誤。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 39 謝 辭 對于這次的畢業(yè)設(shè)計，我要特別向我的指導(dǎo)老師李彬老師表示由衷的感謝。 定位誤差分析 （ 1）基準(zhǔn)不重合誤差 定位基準(zhǔn)和設(shè)計基準(zhǔn)都是內(nèi)圓 ?60 0+，故基準(zhǔn)不重合誤差?B= 0。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 72 是共同適用的。 （ 4）繪制轉(zhuǎn)速圖 先按傳動軸數(shù)及主軸轉(zhuǎn)速級數(shù)格距 lgφ畫出網(wǎng)格，用以繪制轉(zhuǎn)速圖。因此，主傳動鏈任一傳動 組的最大變速范圍 Rmax = (imax/imin) ≤8~10。在這里設(shè)計主軸箱主要從主傳動系統(tǒng)的運動設(shè)計方面進(jìn)行。 進(jìn)給量增大，切削溫度也增大。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(xué)院畢業(yè)設(shè)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。剛塑性有限元采用增量法洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)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。另外，一個好的分離準(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。 (5)進(jìn)入后處理界面對刀具和工件進(jìn)行分析。 (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。 (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。切削深度一般應(yīng)小于 1mm，而進(jìn)給量在盡可能小的同時，要大于其硬化層的厚度，一般應(yīng)在 。其實驗方案的設(shè)定見下表： 表 為切削力隨進(jìn)給量變化的單因素實驗方案，進(jìn)給量 (mm/r)的水平設(shè)為： 、 、 、 、 、 、 。發(fā)達(dá)國家和世界知名體內(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(dá)到使患者早日康復(fù)的目的。因此，要求工藝系統(tǒng)應(yīng)具有較好的剛性。但鈦對具有還原性氧及鉻鹽介質(zhì)的抗蝕性差。 鈦又是同素異構(gòu)體，在低于 882℃時呈密排六方晶格結(jié)構(gòu)，稱 α 鈦；當(dāng)高于 882 時呈體體心立方晶格結(jié)構(gòu)，稱為 β 鈦。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)實意義。但是對復(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化，這就會帶來一定誤差，于是出現(xiàn)了數(shù)值解法。有限元法逐漸成為切削過程的研究和仿真的一種有效手段。分析了切削過程中切削溫度 的變化規(guī)律。 二、研究方法：有限元 分析 50 年代中期至 60 年代末，有限元法出現(xiàn)并迅猛發(fā)展，由于當(dāng)時理論洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 尚處于初級階段，計算機 的硬件及軟件也無法滿足需求，有限元法和有限元程序無法在工程上普及。因此，它的分析結(jié)果要比其他的通用有洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 限元分析軟件更具有可信性。在 500℃ ～ 600℃ 的溫度下，仍保持其強度和抗蠕變性能，但不能進(jìn)行熱處理強化，室溫強度不高 。 (5)化學(xué)活性大 鈦合金高溫化學(xué)活性大，易與大氣中 O N H2和水蒸氣等產(chǎn)生強烈的化學(xué)反應(yīng)生成氧化鈦、氮化鈦等物質(zhì)。 (5)刀具易磨損：毛坯經(jīng)過沖壓、鍛造、熱軋等方法加工后，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。不僅其質(zhì)量僅為鋼的 50％，且強度質(zhì)量比比鉻鉬鋼高 28． 4％。 表 ：切削力隨切削速度變化的實驗條件 切削深度（ mm） 進(jìn)給量（ mm/r） 潤滑方式 干切削 由于研究對象受到多種因素的影響，采用全面實驗法會使實驗的數(shù)量大幅增長，這就會增加試驗的成本和周期，甚至得到不準(zhǔn)確的實驗結(jié)果，顯然這樣不合理。這時由于在鈦合金的切削中切削速度對切削力的影響包括兩個方面切削溫度和切削瘤。針對切削加工的特點，本文選擇使用了 DEFORM3D 作為分析工具，下面對 DEFORM3D 做一個簡單介紹。 DEFORM3D 圖形界面，既強大又靈活，為用戶準(zhǔn)備輸入數(shù)據(jù)和觀察結(jié)果數(shù)據(jù)提移了有效工具。上面兩種現(xiàn)象的出現(xiàn)，使得在對初始工件用形狀比較規(guī)則的有限元網(wǎng)格進(jìn)行離散，經(jīng)過一段時間的增量加載計算后，部分網(wǎng)格產(chǎn)生畸變洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 現(xiàn)象，網(wǎng)格出現(xiàn)不同程度的扭曲。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 材料模型的建立 對切削進(jìn)行模擬前，必須獲得金屬材料在真實切削過程 中隨應(yīng)變、應(yīng)變率和溫度變化的流動應(yīng)力數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)必須真實反映高應(yīng)變率（有的甚至高達(dá) 106/s），高溫 (1000℃以上 )和大應(yīng)變 (應(yīng)變 4 以上 )下的材料本構(gòu)行為。在本文中采用的是最小時間步長和等時間步長的混合使用。 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 圖 42 切削力 隨時間 變化曲線 圖 43 切削力隨模擬步數(shù)變化曲線 表 41 為切削力的仿真結(jié)果 切削速度 進(jìn)給量 切削深度 Fx Fy Fz 1 40 2 45 3 50 4 60 228 5 45 94 139. 6 40 124. 157 洛陽理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 7 60 8 50 61 9 50 1 97 150 10 60 1 98 11 40 1 131 12 45 1 159 317 13 60 2 152 374 14 50 2 165 146 15 45 2 143 16 40 2 174 387 不同切削條件下的切削溫度仿真 切削熱和切削溫度。此外，當(dāng)增大進(jìn)給量后，切削厚度增大，由切屑帶走的熱量增多，同時切屑與前刀面的接觸長度變長，散熱面積增大。 確定公比 此機床為生產(chǎn)率要求較高的專用機床，減少相對轉(zhuǎn)速損失是主要的，所以公比 φ取得較小，這里選定主軸轉(zhuǎn)速數(shù)列的公比為 φ = . 求出主軸轉(zhuǎn)速級數(shù) Z = lgRnlgφ