【正文】 都比 YG6X 高。對(duì)于鉆頭、立銑刀、鉸刀等形狀復(fù)雜制造困難的刀具常使用牌號(hào)為 W2Mo9Cr4VCo W12Cr4V4Mo 等 高性能高速鋼刀具來(lái)低速切削鈦合金。用理論解析法求熱傳導(dǎo)問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)是可以表示溫度分布的函數(shù)關(guān)系，并且科學(xué)分析影響因素。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。 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(shí)理論洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 尚處于初級(jí)階段，計(jì)算機(jī) 的硬件及軟件也無(wú)法滿足需求，有限元法和有限元程序無(wú)法在工程上普及。目前，有限元法在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)力學(xué)、熱力學(xué)、流體力學(xué)和電磁學(xué)等許多領(lǐng)域都發(fā)揮著重要作用。 有限元法是建立在固體變分原理基礎(chǔ)之上的，用有限元進(jìn)行分析時(shí)，首先將 被分析物體離散成為許多小單元，其次給定邊界條件、載荷和材料特性，再者求解線性或非線性方程組，得到位移、應(yīng)力、應(yīng)變、內(nèi)力等結(jié)果，最后在計(jì)算機(jī)上，使用圖形技術(shù)顯示計(jì)算結(jié)果。 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。 三、本文研究的主要意義 鈦合金由于獨(dú)有的材料特性，其應(yīng)用逐漸從航空和軍事領(lǐng)域向汽車(chē)和民用領(lǐng)域擴(kuò)展。因此，研究鈦合金切削過(guò)程中切削力、表面粗糙度、切削溫度、刀具磨損和切屑形態(tài)控制等切削機(jī)理的變化對(duì)提高鈦合金加工效率，降低加工成本具有重要的意義。但是隨著鈦合金應(yīng)用的普及，普通車(chē)床仍然是加工鈦 合金的主要設(shè)備。另外，本課題選擇的 DEFORM3D 軟件進(jìn)行有限元仿真分析。因此，它的分析結(jié)果要比其他的通用有洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 限元分析軟件更具有可信性。本文選出對(duì)切削加工過(guò)程中影響比較大的幾個(gè)參數(shù)切削深度ap、進(jìn)給量 f 以及切削速度 v 進(jìn)行研究 。因此選擇這幾個(gè)參考指標(biāo)進(jìn)行研究。 （ 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。 （ 4）針對(duì)車(chē)削鈦合金設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的車(chē)床，對(duì)加工外罩車(chē)零件某一工位設(shè)計(jì)出專(zhuān)用夾具 。鈦的質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐熱性好，同時(shí)它的化學(xué)活性高，易與空氣中的氮、氧、氫化合。我國(guó)鈦資源非常豐富， TiO2總儲(chǔ)量達(dá) 9 億噸，儲(chǔ)量世界第一，中國(guó)必將成為鈦金屬的世 界生產(chǎn)大國(guó)。通過(guò)向鈦中添加適當(dāng)?shù)暮辖鹪兀蛊湎嘧儨囟燃跋喾趾恐饾u改變而得到不同組織的鈦合金。在 500℃ ～ 600℃ 的溫度下，仍保持其強(qiáng)度和抗蠕變性能，但不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，室溫強(qiáng)度不高 。 (3) α +β 相鈦合金 (用 TC 表示 ) 它是雙相合金，具有良好的綜合性能，組織穩(wěn)定性好，有良好的韌性、塑性和高溫變形性能，能較好地進(jìn)行熱壓力加工，能進(jìn)行淬火、時(shí)效使合洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 金強(qiáng)化。高溫強(qiáng)度高，可在 400℃ ~500℃的溫度下長(zhǎng)期工作，其熱穩(wěn)定性次于 α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。在 300C～ 500℃的溫度下，其強(qiáng)度約比鋁合金高 10 倍，這也是目前飛機(jī)上大量使用鈦合金代替鋁合金的重要原因之一。鈦合金的強(qiáng)度近于普通鋼的強(qiáng)度，一些高強(qiáng)度鈦合金超過(guò)了許多合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度。 (3)抗腐蝕性好 鈦合金在潮濕的大氣和海水介質(zhì)中工作，其抗蝕性遠(yuǎn)優(yōu)于不銹鋼；對(duì)點(diǎn)蝕、酸蝕、應(yīng)力腐蝕的抵抗力特別強(qiáng)：對(duì)堿、氯化物、氯的有機(jī)物品、硝酸、硫酸等有優(yōu)良的抗腐蝕能力。 (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。 (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(qiáng)烈的化學(xué)反應(yīng)生成氧化鈦、氮化鈦等物質(zhì)。鈦的化學(xué)親和性也很大，易與摩擦表面產(chǎn)生粘附現(xiàn)象。這些特性使鈦合金成為一種難加工材料。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。切屑在前刀面上滑動(dòng)摩擦的路程大大加大，加速刀具磨損。在相同的切削條件下，切削溫度可比 45 號(hào)鋼時(shí)高出一倍以上。同時(shí)，由于鈦合金的彈性模量小， 加工時(shí)在徑向力作用下容易產(chǎn)生彎曲變形，引起振動(dòng)，加大刀具磨損并影響零件的精度。 (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。 (5)刀具易磨損：毛坯經(jīng)過(guò)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。 車(chē)削鈦合洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 金時(shí)，有時(shí)前刀面的磨損甚至比后刀面更為嚴(yán)重。 鈦合金的應(yīng)用現(xiàn)狀 鈦合金因具有眾多優(yōu)秀特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。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。其應(yīng)用水平也成為衡量一個(gè)國(guó)家武器裝備先進(jìn)程度，反映一個(gè)國(guó)家的軍事水平和軍事實(shí)力的重要指標(biāo)。鈦無(wú)毒、質(zhì)輕、強(qiáng)度高且具有優(yōu)良的生物相容性，是非常理想的醫(yī)用金屬材料。目前，還沒(méi)有比鈦合金更好的金屬材料用于臨床。 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。不僅其質(zhì)量?jī)H為鋼的 50％，且強(qiáng)度質(zhì)量比比鉻鉬鋼高 28． 4％。 鈦制品應(yīng)用勢(shì)頭發(fā)展迅猛的另一行業(yè)是汽車(chē)業(yè)。鈦在體育用品中的應(yīng)用，從最早的網(wǎng)球拍、羽毛球拍到最近幾年廣泛使用的高爾夫球頭、桿以及賽車(chē)等，使人們 對(duì)鈦的認(rèn)識(shí)提高了一大步。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。其綜合性能優(yōu)良，塑性和沖擊韌性高，因而在航空航天、船舶、化工及常規(guī)兵器等領(lǐng)域得到非常廣泛的應(yīng)用。因此本文選擇了 YG6X 刀片。分別改變切削速度、進(jìn)給量、切削深度，研究切削力的洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 變化情況。 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。 表 ：切削力隨切削速度變化的實(shí)驗(yàn)條件 切削深度（ mm） 進(jìn)給量（ mm/r） 潤(rùn)滑方式 干切削 由于研究對(duì)象受到多種因素的影響，采用全面實(shí)驗(yàn)法會(huì)使實(shí)驗(yàn)的數(shù)量大幅增長(zhǎng)，這就會(huì)增加試驗(yàn)的成本和周期，甚至得到不準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，顯然這樣不合理。在正交試驗(yàn)中，試驗(yàn)樣本不是隨即選取的，而是按照正交表來(lái)選取和安排的，使得每一個(gè)影響因素的不同水平的試驗(yàn)次數(shù)相同，且和不同因素的各水平相遇幾率相等。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 及分析 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 根據(jù)表 ，表 ，表 建立的單因素實(shí)驗(yàn)得到切削力隨進(jìn)給量、切削速度、切削速度變化的數(shù)據(jù)： 表 切削力隨進(jìn)給量變化數(shù)據(jù)： 進(jìn)給量（ mm/r） Fx（ N） Fy（ N） Fz（ N） 77 93 162 72 91 157 78 95 186 85 104 210 85 107 226 93 112 239 96 126 261 表 切削力隨切削深度變化數(shù)據(jù)： 切削深度（ mm） Fx（ N） Fy（ N） Fz（ N） 48 74 142 72 85 178 83 92 190 1 91 107 210 101 110 218 116 115 233 137 123 259 2 149 127 273 表 切削力隨切削速度的變化數(shù)據(jù)： 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） 12 30 96 114 247 35 91 106 235 40 88 102 212 45 85 100 198 50 78 95 186 55 76 92 183 60 82 103 200 70 103 121 225 80 118 133 258 結(jié)果分析 根據(jù)所學(xué)知識(shí)對(duì)以上 3 個(gè)表格數(shù)據(jù)進(jìn)行分析： 一、從 圖 21 可以看出當(dāng)進(jìn)給量小于 時(shí)，切削力隨著進(jìn)給量的增大而減小，這是由于鈦合金在切削時(shí)會(huì)形成 左右的硬化層，當(dāng)進(jìn)給量小于 時(shí)，車(chē)刀切在硬化層內(nèi)，因此切削力比較大。三個(gè)方向力的由大到小的排列為 Fz、 Fy 和 Fx。 圖 21 切削力隨進(jìn)給量的變化規(guī)律 050100150200250300 切削力（N） 進(jìn)給量（ mm/r） Fx（ N） Fy（ N） Fz（ N） 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 從 圖 22 可以看出各切削力隨著切削深度的增大而增大，且切削深度的增大對(duì)影響比較明顯，而對(duì) Fy 影響較小。另外對(duì)比圖 21 與 22 可以看出切削深度對(duì)切削力大小的影響要比進(jìn)給量大，這是由于切削深度或進(jìn)給量增加時(shí)，切削面積增大，彈塑性變形總量增加，從而使切削力增大。因此為減小切削力應(yīng)優(yōu)先選擇對(duì)其影響比較顯著的因素切削深度，而選用較小的切削深度值。 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。這時(shí)由于在鈦合金的切削中切削速度對(duì)切削力的影響包括兩個(gè)方面切削溫度和切削瘤。由于鈦的化學(xué)活性大，在高的切削溫度下 ，容易吸收空氣中的氧和氮形成硬而脆的外皮。從切削力隨切削速度變化效應(yīng)圖可以看出，在鈦合金切削加工過(guò)程中存在一個(gè)使切削力最小的切削速度，即 50m/min 上下的范圍。當(dāng)積屑瘤消失時(shí)，切削力達(dá)到最大。 有限元分析包括以下三個(gè)階段： (1)預(yù)處理階段：進(jìn)行實(shí)體造型或輸入實(shí)體造型，選用物體，指定機(jī)械屬性，劃分有限元，選用載荷和邊界條件，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?。一般有載荷和邊界條件的地方，單元?jiǎng)澐值拿芤恍?，而結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定和牢固的地方，單元?jiǎng)澐值南∈枰恍? (2)解算模型階段：在解算模型時(shí)，模型的節(jié)點(diǎn)、單元、約束載荷、物理和機(jī)械特征都己定義，所以可由計(jì)算機(jī)計(jì)算單元?jiǎng)偠染仃?，單元?jiǎng)偠染仃?反映了節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移之間轉(zhuǎn)化關(guān)系，所以又稱(chēng)為轉(zhuǎn)化矩陣。 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。針對(duì)切削加工的特點(diǎn)，本文選擇使用了 DEFORM3D 作為分析工具，下面對(duì) DEFORM3D 做一個(gè)簡(jiǎn)單介紹。適用于熱、冷、溫成形，包括鍛造、擠壓、徽粗、軋制、自由鍛、彎曲、機(jī)械加工和其它成形加工手段。DEFORM3D 是模擬 3D 材料流動(dòng)的理想工具，而且易于使用。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。 (2)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。 (4)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(lèi)型。 (6)單步模具應(yīng)力分析方便快捷，適用于多個(gè)變形體、組合模具、帶有預(yù)應(yīng)力環(huán)時(shí)的成形過(guò)程分析。 (8)具有 2D 切片功能，可以顯示工件或模具剖面結(jié)果。 DEFORM3D 圖形界面，既強(qiáng)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。 DEFORM3D 延續(xù)了 DEFORM 系統(tǒng)幾十年來(lái)一貫秉承的力保計(jì)算準(zhǔn)確可靠的系統(tǒng)。 洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 DEFORM3D 中應(yīng)用加工向?qū)K進(jìn)行車(chē)削仿真的基本步驟 DEFORM 為了方便應(yīng)用，提供了成型分析、加工分析 (包括切削和鉆削 )等向 導(dǎo)，用戶只需按向?qū)нM(jìn)行相關(guān)設(shè)置，生成數(shù)據(jù)庫(kù)之后即可對(duì)模型求解。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。在模擬類(lèi)型中選擇車(chē)削加工。在本仿真中切削條件的可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)置(圖 33)。 (4)進(jìn)行運(yùn)算。 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。上面兩種現(xiàn)象的出現(xiàn)，使得在對(duì)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(guò)一段時(shí)間的增量加載計(jì)算后，部分網(wǎng)格產(chǎn)生畸變洛陽(yáng)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 現(xiàn)象，網(wǎng)格出現(xiàn)不同程度的扭曲。網(wǎng)格嚴(yán)重扭曲，在進(jìn)行等參變換時(shí)將使雅克比 (Jocbaiml)行列式的值出現(xiàn)零或負(fù)值，使計(jì)算難以進(jìn)行下去。 干涉程度嚴(yán)重時(shí)，也將影響計(jì)算精度。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