【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 同角度對(duì)鈦合金的切削加工作了研究：2002年，史興寬等通過紅外線測(cè)溫和數(shù)值計(jì)算的方法，研究了鈦合金TC4高速銑削時(shí)表面溫度場(chǎng)的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)高速銑削時(shí)，切削點(diǎn)與即將切削部位有很大的溫度梯度。2003年，萇浩等128l研究了干切削和有氮?dú)饨橘|(zhì)情況下影響TC4材料銑削力大小的幾個(gè)因素，及兩種介質(zhì)條件下不同切削速度對(duì)后刀面磨損的影響，證實(shí)了以氮?dú)鉃榻橘|(zhì)可大大改善刀具的磨損狀況，提高刀具壽命。2005年，李德華等分別對(duì)鈦合金切削的刀具材料選用和加工工藝方法進(jìn)行了研究。2007年，沈中等研究了平均切削厚度下鈦合金TC4的銑削機(jī)理，指出在保持合適的平均切削厚度不變的前提下選擇其它切削參數(shù)，可以提高刀具耐用度和改善加工表面質(zhì)量。2007年，吳紅兵等利用三維有限元模型，對(duì)TC4材料高速加工過程中不同切削速度和切削深度下的加工表面殘余應(yīng)力分布作了分析。2008年，許鴻昊等從裝央方式的角度研究了拉伸裝央方式對(duì)鈦合金TC4加工表面質(zhì)量的影響。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。2008年，杜隨更等對(duì)不同銑削參數(shù)下鈦合金TC4試樣表面形貌和表層組織進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)較高的主軸轉(zhuǎn)速對(duì)提高銑削表面質(zhì)量有益，而軸向切深對(duì)鈦合金高速銑削工件表層微觀甚微，同時(shí)發(fā)現(xiàn)銑刀端刃切削的工件表面，中心處表面質(zhì)量比組織的影響邊緣處表面質(zhì)量好。 第二章 DEFORM3D軟件的介紹與切削模型的建立 DEFORM軟件的介紹 20世紀(jì)70年代后期，位于美國(guó)加州伯克利的加利福尼亞大學(xué)小林研究室在美國(guó)軍方的支持下開發(fā)出了有限元軟件ALPID，1990年在此基礎(chǔ)上開發(fā)出DEFORM2D軟件。該軟件的開發(fā)者獨(dú)立出來成立SFTC公司，并推出了DEFORM3D軟件。DEFORM3D是一套基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元系統(tǒng)，專門設(shè)計(jì)用于分析各種金屬成形過程中的三維流動(dòng)，提供極有價(jià)值的工藝分析數(shù)據(jù)，及有關(guān)成形過程中的材料和溫度流動(dòng)，是模擬3D材料流動(dòng)的理想工具。典型的DEFORM3D應(yīng)用包括鍛造、切削、擠壓、軋制、彎曲和其它成形加工手段。DEFORM3D不僅魯棒性好，而且容易使用，其強(qiáng)大的模擬引擎能夠分析金屬成形過程中的多個(gè)關(guān)聯(lián)對(duì)象耦合作用的大變形和熱特性。系統(tǒng)中集成了在任何時(shí)候能夠自行觸發(fā)自動(dòng)網(wǎng)格重劃的生成器，生成優(yōu)化的網(wǎng)格系統(tǒng)。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。此外，DEFORM3D延續(xù)了DEFORM系統(tǒng)幾十年來一貫秉乘的力保計(jì)算準(zhǔn)確可靠的傳統(tǒng)。DEFORM3D的計(jì)算精度和結(jié)果可靠性，被國(guó)際成形模擬領(lǐng)域公認(rèn)為第一。 適用范圍及對(duì)象 目前應(yīng)用較為廣泛的有限元軟件有MSC／Nastran、MSC／Dytran、MSC／Marc、ANSYS、ADINA、ABAQUS等軟件。MSC／Nastran是目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于金屬切削加工過程的仿真的常用的仿真軟件有：DEFORM、MSC著名結(jié)構(gòu)分析程序軟件，MSC／Dytran是動(dòng)力學(xué)分析程序軟件，MSC／Marc是非線性分析軟件，ANSYS是通用結(jié)構(gòu)分析軟件，ADINA和ABAQUS同樣也是非線性分析軟件。DEFORM是針對(duì)金屬成形分析專用的有限元軟件，是一套基于工藝模擬系統(tǒng)的有限元仿真(FEM)軟件，在一個(gè)集成環(huán)境中，綜合了建模、成形、熱傳導(dǎo)和成形設(shè)備特性進(jìn)行模擬仿真分析。它具有魯棒性好、易于使用的特點(diǎn)，其強(qiáng)大的模擬引擎，能夠分析金屬成形過程中多個(gè)關(guān)聯(lián)對(duì)象耦合作用的大變形和熱特性。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。DEFORM具有友好的用戶圖形界面，操作簡(jiǎn)單方便。它有高度模塊化、集成化的有限元模擬系統(tǒng)，有限元網(wǎng)格自動(dòng)生成器以及網(wǎng)格重劃分自動(dòng)觸發(fā)系統(tǒng)。具備集成的金屬合金材料庫(kù)、多種成形設(shè)備模型和可供用戶自定義的子程序。DEFORM具有完善的IGES、STL、IDEAS、PATRAN、NASTRAN等CAD和CAE接口，方便用戶導(dǎo)入模型。它提供了230多種材料數(shù)據(jù)庫(kù)資料，幾乎包含了所有常用材料的彈性變形數(shù)據(jù)、塑性變形數(shù)據(jù)、熱能數(shù)據(jù)、熱交換數(shù)據(jù)、晶體長(zhǎng)大數(shù)據(jù)、材料硬化數(shù)據(jù)和破壞數(shù)據(jù)，方便用戶在計(jì)算過程中使用。系統(tǒng)集成了在任何必要時(shí)能夠自行觸發(fā)的自動(dòng)網(wǎng)格重劃生成器，能生成優(yōu)化的網(wǎng)格模型。在精度要求較高的區(qū)域，還可以劃分較為細(xì)密的網(wǎng)格，從而降低解析模型，并顯著提高計(jì)算效率。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。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。DEFORM使用并行求解可顯著提高求解速度。利用DEFORM可獲得金屬成形過程的速度場(chǎng)、靜水壓力場(chǎng)、應(yīng)力應(yīng)變場(chǎng)、溫度場(chǎng)結(jié)果，以分析型材成形中波浪、扭擰、折疊、裂紋等缺陷。它可幫助技術(shù)人員設(shè)計(jì)加工模具和產(chǎn)品工藝流程，以減少昂貴的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成本，提高工模具設(shè)計(jì)效率，降低生產(chǎn)和材料成本，優(yōu)化模具結(jié)構(gòu)及工藝參數(shù)，縮短新產(chǎn)品的研究開發(fā)周期。20世紀(jì)70年代后期，位于美國(guó)加州伯克利的加利福尼亞大學(xué)小林研究室在美國(guó)軍方的支持下開發(fā)出有限元軟件ALPID，20世紀(jì)90年代在這一基礎(chǔ)上開發(fā)出DEFOR．M．2D軟件。該軟件的開發(fā)者獨(dú)立出來成立了SFTC公司，并推出了DEFORM軟件。DEFORM3D則可以對(duì)復(fù)雜的模具、等三維零件等進(jìn)行虛擬樣機(jī)實(shí)現(xiàn)。DEFORM通過在計(jì)算機(jī)上模擬整個(gè)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(chǎng)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。 DEFORM3D的特點(diǎn)DEFORM3D具有以下特點(diǎn)： DEFORM3D是一個(gè)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。適用于熱、冷、溫成形，如材料流動(dòng)、模具應(yīng)力、金屬微結(jié)構(gòu)和缺陷產(chǎn)生發(fā)展情況等。DEFORM3D處理的對(duì)象為復(fù)雜的三維零件、模具等，其模型來自CAD系統(tǒng)的面或?qū)嶓w造型(STL／SLA)格式，并集成有設(shè)備成形模型。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。實(shí)體之間或?qū)嶓w內(nèi)部的熱交換分析既可單獨(dú)求解，也可以耦合在成形模擬過程中分析。前處理中自動(dòng)生成邊界條件，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)備快速可靠；不需要人工干預(yù)，全自動(dòng)網(wǎng)格劃分；具有FLOWNET和點(diǎn)跡示蹤、變形、云圖、矢量圖、力一行程曲線圖等后處理功能；具有2D切片功能，可以顯示工件或模具剖面結(jié)果。 DEFORM功能模塊成形過程仿真系統(tǒng)的建立，就是將塑性有限元理論、剛塑性成形工藝學(xué)，計(jì)算機(jī)圖形處理技術(shù)等相關(guān)理論和技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的過程。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。(1)前處理器。前處理器包括三個(gè)子模塊：①數(shù)據(jù)輸入模塊，便于數(shù)據(jù)的交互式輸入；②網(wǎng)格的自動(dòng)劃分與自動(dòng)再劃分模塊；③數(shù)據(jù)傳遞模塊，當(dāng)網(wǎng)格重劃分后，能夠在新舊網(wǎng)格之間實(shí)現(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變、速度場(chǎng)、邊界條件等數(shù)據(jù)的傳遞，從而保證計(jì)算的連續(xù)性。這三個(gè)模塊主要完成以下功能：力學(xué)模型的建立與離散化以及初、邊值條件的提法是前處理器的關(guān)鍵。DEFORM軟件充分考慮到用戶界面中交互方式的友好性，設(shè)計(jì)出便于用戶理解仿真過程并能實(shí)時(shí)地監(jiān)控仿真過程的前置處理器。材料模型的確定主要包括：按照既定的彈塑性、彈粘塑性、剛塑性、剛粘塑性模型輸入相應(yīng)的熱、物性參數(shù)；根據(jù)用戶提供的試驗(yàn)曲線及數(shù)據(jù)，軟件系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行擬合及轉(zhuǎn)換成仿真所需的模型和參數(shù)。數(shù)據(jù)交換接口為用戶提供與其它圖形系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和幾何信息的交流途徑，目前DEFORM3D軟件不具備實(shí)體造型能力，但它提供一些通用的CAD軟件數(shù)據(jù)接口，如IGES、STL、UNV接口進(jìn)行轉(zhuǎn)換。(2)求解器。真正的有限元分析過程是在求解器中完成的。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。(3)后處理器。DEFORM軟件的后處理器主要是對(duì)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網(wǎng)格；等效應(yīng)力、等效應(yīng)變以及破壞程度的等高線和等色圖；速度場(chǎng)；溫度場(chǎng)；壓力行程曲線等。此外用戶還可以列點(diǎn)進(jìn)行跟蹤，對(duì)個(gè)別點(diǎn)的軌跡、應(yīng)力、應(yīng)變、破壞程度進(jìn)行跟蹤觀察，并且根據(jù)需要抽取數(shù)據(jù)。 DEFORM3D有關(guān)功能模塊在本課題研究中的應(yīng)用本課題所用的DEFORM3D功能模塊為Machining模塊。在主窗口界面右側(cè)點(diǎn)擊前處理Pre Processor中的Machjning選項(xiàng)，即可進(jìn)入切削前處理界面。在前處理器中，需設(shè)置切削參數(shù)、工作溫度和接觸面屬性；選擇刀具和工件的材料、形狀；進(jìn)行網(wǎng)格的劃分及設(shè)定模擬條件，并最后檢查設(shè)定結(jié)果，最后生成后綴為DB的文件，則前處理階段完成。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。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、節(jié)點(diǎn)、接觸等狀況。運(yùn)算時(shí)以Step的形式保存數(shù)據(jù)，并存到生成的．DB文件內(nèi)。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。在模擬正常結(jié)束后，選擇生成的．DB文件，單擊主窗口左側(cè)的Post Processor欄下的DEFORM3D Post選項(xiàng)，出現(xiàn)后處理窗口。在后處理窗口中，可以觀察整個(gè)動(dòng)態(tài)模擬過程，每一步下刀具或工件的狀態(tài)及進(jìn)行其它一些分析。 基于DEFORM3D切削模型的建立 有限元模型的建立就是將被研究對(duì)象的幾何外形、材料特性和研究對(duì)象內(nèi)部以及周圍環(huán)境之問的相互作用有機(jī)結(jié)合的過程。為了有效地運(yùn)用有限元方法模擬金屬切削過程，更好地揭示切削機(jī)理，在切削模型的建立過程中，需考慮以下關(guān)鍵問題：工件材料的流動(dòng)應(yīng)力模型；有限元網(wǎng)格的劃分；切屑分類準(zhǔn)則；磨損模型等。此外，正確的簡(jiǎn)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。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)。如果考慮這些因素的影響將使問題復(fù)雜化，不利于求解。因此假定機(jī)床、夾具是剛性體。加工周圍的環(huán)境溫度對(duì)切削溫度的分布有影響，為了方便起見，假定環(huán)境溫度始終是20℃。 DEFORM3D中應(yīng)用加工向?qū)K進(jìn)行車削仿真的基本步驟DEFORM為了方便