【文章內(nèi)容簡介】 屑在前刀面上滑動摩擦的路程大大加大，加速刀具磨損。 (2)切削溫度高：由于鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)： λ=(mK)，非常小，切屑與前刀面的接觸長度極短，切削時產(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。在相同的切削條件下，切削溫度可比 45 號鋼時高出一倍以上。 (3)單位面積上的切削力大：主切削力比切鋼時約小 20％，由于切屑與前刀面的接觸長度極短，單位 接觸面積上的切削力大大增加，容易造成崩刃。同時，由于鈦合煙臺大學(xué)畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 3 金的彈性模量小，加工時在徑向力作用下容易產(chǎn)生彎曲變形，引起振動，加大刀具磨損并影響零件的精度。因此，要求工藝系統(tǒng)應(yīng)具有較好的剛性。 (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。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。 (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。另外，由于鈦合金對刀具材料的化學(xué)親和性強，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。 鈦合金高速切削技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 由于鈦合會材料具有良好的耐腐蝕性能和突出的力學(xué)性能，在航空航天、化工、醫(yī)療等領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用，但其也存在工藝性差，切削加工困難的特點。因此，關(guān)于鈦合金的切削加工一直都是研究熱點，學(xué)者們從不同角度對鈦合金的切削加工作了研究： 20xx 年，史興寬等通過紅外線測溫和數(shù)值計算的方法，研究了鈦合金 TC4 高速銑削時表面溫度場的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)高速銑削時，切削點與即將切削部位有很大的溫度梯度。 20xx 年，萇浩等 128l 研究了干切削和有氮氣介質(zhì)情況下影響 TC4 材料銑削力大小的幾個因素，及兩種介質(zhì)條件下不同切削速度對后刀面磨損的影響，證實了以氮氣為介質(zhì)可大大改善刀具的磨損狀況，提高刀具壽命。 20xx 年，李德華等分別對鈦合金切削的刀具材料選用和加工工藝方法進行了研究。 20xx 年，沈中等研究了平均切削厚度下鈦合金 TC4 的銑削機理，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。 20xx 年，吳紅兵等利用三維有限元模型，對 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。 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。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。 20xx 年，杜隨更等對不同銑削參數(shù)下鈦合金 TC4 試樣表面形貌和表層組織進行了研究，發(fā)現(xiàn)較高的主軸轉(zhuǎn)速對提高銑削表面質(zhì)量有益，而軸向切深對鈦合金高速銑削工件表層微觀甚微，同時發(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。 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 4 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，位于美國加州伯克利的加利福尼亞大學(xué)小林研究室在美 國軍方的支持下開發(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)計用于分析各種金屬成形過程中的三維流動，提供極有價值的工藝分 析數(shù)據(jù)，及有關(guān)成形過程中的材料和溫度流動，是模擬 3D 材料流動的理想工具。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，其強大的模擬引擎能夠分析金屬成形過程中的多個關(guān)聯(lián)對象耦合作用的大變形和熱特性。系統(tǒng)中集成了在任何時候能夠自行觸發(fā)自動網(wǎng)格重劃的生成器，生成優(yōu)化的網(wǎng)格系統(tǒng)。在要求精度較高的區(qū)域，可以劃分較細密的網(wǎng)格，從而降低運算規(guī)模，并顯著提高計算效率。此外， DEFORM3D 延續(xù)了 DEFORM 系統(tǒng)幾十年來一貫秉乘的力保計算準(zhǔn)確可 靠的傳統(tǒng)。 DEFORM3D 的計算精度和結(jié)果可靠性，被國際成形模擬領(lǐng)域公認(rèn)為第一。 適用范圍及對象 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 是目前國內(nèi)外對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)備特性進行模擬仿真分析。它具有魯棒性好、易于使用的特點，其強大的模擬引擎，能夠分析金屬成形過程中多個關(guān)聯(lián)對象耦合作用的大變形和熱特性。所以本文采用 DEFORM 軟件來進行高速切削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)格自動生成器以及網(wǎng)格重劃分自動觸發(fā) 系統(tǒng)。具備集成的金屬合金材料庫、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)庫資料，幾乎包含了所煙臺大學(xué)畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 5 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)，方便用戶在計算過程中使用。系統(tǒng)集成了在任何必要時能夠自行觸發(fā)的自動網(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，還可以劃分較為細密的網(wǎng)格，從而降低解析模型， 并顯著提高計算效率。提供三種迭代計算方法： 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算方法。 DEFORM 采用的多種控制選項和用戶子程序使用戶在定義和分析問題時有很大的靈活性。 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、靜水壓力場、應(yīng)力應(yīng)變場、溫度場結(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)計加工模具和產(chǎn)品工藝流程，以減少昂貴的現(xiàn)場試驗成本，提高工模具設(shè)計 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，位于美國加州伯克利的加利福尼亞大學(xué)小林研究室在美國軍方的支持下開發(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)者獨立出來成立了 SFTC 公司，并推出了 DEFORM 軟件。 DEFORM3D 則可以對復(fù)雜的模具、等三維零件等進行虛擬樣機實現(xiàn)。 DEFORM 通過在計算機上模擬整個金屬成形過程，幫助技術(shù)人員設(shè)計加工模具和產(chǎn)品工藝流程，從而減少了昂貴的現(xiàn)場試驗成本；通過提高 工模具設(shè)計效率，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 DEFORM3D 具有以下特點： 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)備特性進行模 擬仿真分析。適用于熱、冷、溫成形，如材料流動、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。實體之間或?qū)嶓w內(nèi)部的熱交換分析既可單獨求解，也可以耦合在成形模 擬過程中分析。 前處理中自動生成邊界條件，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)備快速可靠；不需要人工干預(yù)，全自 動網(wǎng)格劃分；具有 FLOWNET 和點跡示蹤、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。 煙臺大學(xué)畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 6 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)，計算機圖形處理技術(shù)等相關(guān)理論和技術(shù)進行有機結(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)格的自動劃分與自動再劃分模塊；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)格之間實現(xiàn)應(yīng)力、應(yīng)變、速度場、邊界條件等數(shù)據(jù)的傳遞，從而保證計算的連續(xù)性。這三個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)計出便于用戶理解仿真過程并能實時地監(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)用戶提供的試驗曲線及數(shù)據(jù)，軟件系統(tǒng)自動進行擬合及轉(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 運行時，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 法進行求解，求解的結(jié)果以二進制的形式進行保存，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有限元計算產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù) 進行解釋，用于顯示計算結(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；溫度場；壓力行程曲線等。此外用戶還可以列點進行跟蹤，對個別點的軌跡、應(yīng)力、應(yīng)變、破壞程度進行跟蹤觀察，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)點擊前處理 Pre Processor 中的 Machjning 選項，即可進入切削前處理界面。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)左鍵點擊文件目錄菜單下的． DB文件，接著點擊 DEFORM 主窗口右側(cè) Simulator 標(biāo)題下的 run 選項， 則可開始切削過程的模擬。在主窗口的 Message 和 Log 標(biāo)簽下可以查看運行過程中每一步時間起止、煙臺大學(xué)畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 7 節(jié)點、接觸等狀況。運算時以 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，不僅可以隨時中斷和結(jié)束模擬，還可以進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，出現(xiàn)后處理窗口。在后處理窗口中，可以觀察整個動態(tài)模擬過程，每一步下刀具或工件的狀態(tài)及進行其它一些分析。 基于 DEFORM3D 切削模 型的建立 有限元模型的建立就是將