钛合金车削过程中切削参数对切削力影响的有限元仿真开题报告

全文总字数：3170字

1. 研究目的与意义

钛合金由于独有的材料特性，其应用逐渐从航空和军事领域向汽车和民用领域扩展。

由于其强度高、导热性差给切削刀具带来了严重的磨损，这使得其加工效率很低，加工成本很高。

因此，研究钛合金切削过程中切削力、表面粗糙度、切削温度、刀具磨损和切屑形态控制等切削机理的变化对提高钛合金加工效率，降低加工成本具有重要的意义。

2. 国内外研究现状分析

早在20 世纪五六十年代，美国、英国、日本等发达国家就开始围绕钛合金加工的刀具寿命、切屑形成、切削温度、切削力等开展了大量的研究工作。Lockheed 公司早在1951 年就进行了钛合金铣削试验。Komanduri最早系统地研究了正交切削钛合金时的切屑变形，并提出了锯齿状切屑的突变剪切失稳理论。Jawaid 等研究了钛合金Ti-6246 的刀具磨损试验，研究表明细晶粒刀具和经过研磨的刀具具有较好的耐磨性能。Hong 和Markus等用液氮来加工钛合金，对液氮浇注方法进行了研究，采用微型喷嘴并直接安装在刀具表面和断屑台之间，液氮直接喷在了刀尖部位，避免了浪费，有效地延长了刀具耐用度。Nouari 和Iordanoff 用离散元法分析了钛合金切削的刀具磨损，研究表明运用离散元法可有效帮助控制刀屑接触。由于世界主要发达国家都有自己的切削数据库（如美国的Cutdata、德国的Infos、瑞典的Coromant 切削数据库），所以对钛合金的切削加工性研究都比较系统。我国对钛合金的研究起始于1954 年北京有色金属研究总院。50多年来，我国不少单位和科研院校对钛合金的切削加工性进行了大量研究，取得了一定成果。耿国盛通过对铣刀磨损的正交试验和对铣削力的测量，完成了对β21s 钛合金的铣削加工性的考察评估，并通过试验获得了经过优化的铣削加工参数。齐德新对铣削钛合金BT20 时的切屑形态、切削力、刀具磨损、破损形态及机理进行了研究，对刀具材料、合理几何参数、最佳切削用量进行优选，在此基础上研制出适用该材料的新型端面铣削刀具。满忠雷、何宁等基于绿色切削的理念，用硬质合金刀具进行了高速铣削钛合金的单因素试验，得出了径向切深、轴向切深、每齿进给量和铣削速度对铣削力的影响规律；并比较分析了干铣削、氮气油雾和空气油雾介质下铣削力的变化特点。山东大学的石磊从化学、物理和力学性能3个方面对刀具材料与钛合金性能匹配进行了研究，并通过Ti-6Al-4V钛合金的铣削试验加以验证，建立了钛合金切削刀具选择系统模型。总体来讲，我国对钛合金切削加工性的研究与欧美发达国家相比仍有不小的差距，制约钛合金应用和发展的加工质量、效率、刀具磨损等问题仍有待进一步的研究。

因此，发展难加工材料的高效切削技术，是航空制造业领域值得研究的课题。由于钛合金切削过程中会产生较高的切削温度和较大的切削力，从而导致刀具磨损加剧而影响加工效率和表面质量。本课题为研究钛合金切削机理，利用有限元手段分别建立钛合金材料本构方程及三维切削仿真模型。首先通过建立钛合金二维正交有限元模型，借助有限元分析得出了锯齿状切屑的形成过程，并研究绝热剪切行为下切屑形成过程的材料变形行为和形成机理，以及切屑锯齿化程度变化规律。其次，通过改变切削参数分析钛合金的残余应力、温度场分布及切削力的变化规律，同时模拟了刀具不同切削速度下的磨损情况，并且通过单因素和磨损试验验证仿真结果的正确性。最后，本文建立了钛合金的车削模型，借助有限元手段模拟分析切屑形态、残余应力、切削温度变化规律。 采用有限元法来模拟切削过程可以从模拟结果中得出许多实验难以得到的材料力学特性和物理特性，如：加工工件表面和切屑的温度场分布、应力分布、应变分布和残余应力分布等。本课题是使用有限元方法计算切削参数对钛合金车削过程切削力的影响进行分析与仿真。本课题是为了研究塑性材料切削及微切削过程有限元仿真的理论及方法，加深学生对刀具、工件材料以及切削过程的理解，培养学生掌握基本的有限元理论知识和有限元软件的使用，以拓宽学生的知识面和提升学生的专业技能。

3. 研究的基本内容与计划

（1）本课题主要内容为钛合金车削过程中切削参数对切削力影响的有限元仿真，要求得到：不同切（2）削参数切削过程的切削力曲线、切屑的形成及形态、温度场分布等仿真结果，并对典型塑性材料切削过程中的不同物理现象做理论分析；（3）前言内容应包括：课题的目的和意义、切削仿真方法的研究现状、课题的主要研究内容等；根据塑性材料车削过程切削仿真的特点，合理的选择刀具材料、刀具前角、后角、切削用量等参数并阐明选用原因；（4）塑性材料的材料本构模型为剪切失效模型，简述其作用机理；合理的选用切屑分离准则并阐明选用原因，并对不同分离准则的优缺点做理论分析。

（5）研究计划: 第1周-第2周(熟悉任务，收集资料，了解任务 书和撰写开题报告。

第3周-第6周熟悉有限元软件third wave， 着手为建模准备，通过查阅资料了解塑性材料的特点，切削过程的特点，选择刀具材料，定义刀具各项几何参数。

4. 研究创新点

1）在刀具的几何参数对切削过程的影响中应当被更深入地研究。

（2）作者在刀具的磨损的分析中，各影响因素对刀具磨损的影响没有进行深入的研究，刀具寿命也未能研究，可以对其单独分析。

（3）由于实验条件的限制，对切削温度的研究只进行了仿真分析，且只分析了最高切削温度。