钛合金高速切削仿真研究毕业设计论文(编辑修改稿)

钛合金高速切削仿真研究毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

屑在前刀面上滑动摩擦的路程大大加大，加速刀具磨损。 (2)切削温度高：由于钛合金的导热系数： λ=(mK)，非常小，切屑与前刀面的接触长度极短，切削时产生的热不易传出，集中在切削区和切削刃附近的较小范围内，切削温度很高。 在相同的切削条件下，切削温度可比 45 号钢时高出一倍以上。 (3)单位面积上的切削力大：主切削力比切钢时约小 20％，由于切屑与前刀面的接触长度极短，单位 接触面积上的切削力大大增加，容易造成崩刃。 同时，由于钛合烟台大学毕业论文 (设计 ) 3 金的弹性模量小，加工时在径向力作用下容易产生弯曲变形，引起振动，加大刀具磨损并影响零件的精度。 因此，要求工艺系统应具有较好的刚性。 (4)冷硬现象严重：由于钛的化学活性大，在高的切削温度下，很容易吸收空气中的氧和氮形成硬而脆的外皮；同时切削过程中的塑性变形也会造成表面硬化。 冷硬现象不仅会降低零件的疲劳强度，而且能加剧刀具磨损，是切削钛合金时的一个很重要特点。 (5)刀具易磨损：毛坯经过冲压、锻造、热轧等方法后，形成硬而脆的不均匀外皮，极 易造成崩刃现象，使得切除硬皮成为钛合金加工中最困难的工序。 另外，由于钛合金对刀具材料的化学亲和性强，在切削温度高和单位面积上切削力大的条件下，刀具很容易产生粘结磨损。 钛合金高速切削技术的发展现状 由于钛合会材料具有良好的耐腐蚀性能和突出的力学性能，在航空航天、化工、医疗等领域均有广泛的应用，但其也存在工艺性差，切削加工困难的特点。 因此，关于钛合金的切削加工一直都是研究热点，学者们从不同角度对钛合金的切削加工作了研究： 20xx 年，史兴宽等通过红外线测温和数值计算的方法，研究了钛合金 TC4 高速铣削时表面温度场的分布规律，发现高速铣削时，切削点与即将切削部位有很大的温度梯度。 20xx 年，苌浩等 128l 研究了干切削和有氮气介质情况下影响 TC4 材料铣削力大小的几个因素，及两种介质条件下不同切削速度对后刀面磨损的影响，证实了以氮气为介质可大大改善刀具的磨损状况，提高刀具寿命。 20xx 年，李德华等分别对钛合金切削的刀具材料选用和加工工艺方法进行了研究。 20xx 年，沈中等研究了平均切削厚度下钛合金 TC4 的铣削机理，指出在保持合适的平均切削厚度不变的前提下选择其它切削参数，可以提高刀具耐用度和改善加工表面 质量。 20xx 年，吴红兵等利用三维有限元模型，对 TC4 材料高速加工过程中不同切削速度和切削深度下的加工表面残余应力分布作了分析。 20xx 年，许鸿昊等从装央方式的角度研究了拉伸装央方式对钛合金 TC4 加工表面质量的影响。 研究表明拉伸装央不影响加工表面粗糙度，但能提高已加工表面残余压应力和增大残余应力层厚度。 20xx 年，杜随更等对不同铣削参数下钛合金 TC4 试样表面形貌和表层组织进行了研究，发现较高的主轴转速对提高铣削表面质量有益，而轴向切深对钛合金高速铣削工件表层微观甚微，同时发现铣刀端刃切削的工件表面，中心处表 面质量比组织的影响边缘处表面质量好。 烟台大学毕业论文 (设计 ) 4 第二章 DEFORM3D软件的介绍与切削模型的建立 DEFORM 软件的介绍 20世纪 70 年代后期，位于美国加州伯克利的加利福尼亚大学小林研究室在美 国军方的支持下开发出了有限元软件 ALPID， 1990年在此基础上开发出 DEFORM2D软件。 该软件的开发者独立出来成立 SFTC 公司，并推出了 DEFORM3D 软件。 DEFORM3D 是一套基于工艺模拟系统的有限元系统，专门设计用于分析各种金属成形过程中的三维流动，提供极有价值的工艺分 析数据，及有关成形过程中的材料和温度流动，是模拟 3D 材料流动的理想工具。 典型的 DEFORM3D 应用包括锻造、切削、挤压、轧制、弯曲和其它成形加工手段。 DEFORM3D 不仅鲁棒性好，而且容易使用，其强大的模拟引擎能够分析金属成形过程中的多个关联对象耦合作用的大变形和热特性。 系统中集成了在任何时候能够自行触发自动网格重划的生成器，生成优化的网格系统。 在要求精度较高的区域，可以划分较细密的网格，从而降低运算规模，并显著提高计算效率。 此外， DEFORM3D 延续了 DEFORM 系统几十年来一贯秉乘的力保计算准确可 靠的传统。 DEFORM3D 的计算精度和结果可靠性，被国际成形模拟领域公认为第一。 适用范围及对象 目前应用较为广泛的有限元软件有 MSC／ Nastran、 MSC／ Dytran、 MSC／ Marc、 ANSYS、 ADINA、 ABAQUS 等软件。 MSC／ Nastran 是目前国内外对于金属切削加工过程的仿真的常用的仿真软件有： DEFORM、 MSC 著名结构分析程序软件， MSC／ Dytran 是动力学分析程序软件， MSC／ Marc 是非线性分析软件， ANSYS 是通用结构分析软件， ADINA 和 ABAQUS 同样也是非线性分析软件。 DEFORM 是针对金属成形分析专用的有限元软件，是一套基于工艺模拟系统的有限元仿真 (FEM)软件，在一个集成环境中，综合了建模、成形、热传导和成形设备特性进行模拟仿真分析。 它具有鲁棒性好、易于使用的特点，其强大的模拟引擎，能够分析金属成形过程中多个关联对象耦合作用的大变形和热特性。 所以本文采用 DEFORM 软件来进行高速切削TC4 钛合金的车削仿真。 DEFORM 具有友好的用户图形界面，操作简单方便。 它有高度模块化、集成化的有限元模拟系统，有限元网格自动生成器以及网格重划分自动触发 系统。 具备集成的金属合金材料库、多种成形设备模型和可供用户自定义的子程序。 DEFORM 具有完善的 IGES、 STL、 IDEAS、 PATRAN、 NASTRAN 等 CAD 和CAE 接口，方便用户导入模型。 它提供了 230 多种材料数据库资料，几乎包含了所烟台大学毕业论文 (设计 ) 5 有常用材料的弹性变形数据、塑性变形数据、热能数据、热交换数据、晶体长大数据、材料硬化数据和破坏数据，方便用户在计算过程中使用。 系统集成了在任何必要时能够自行触发的自动网格重划生成器，能生成优化的网格模型。 在精度要求较高的区域，还可以划分较为细密的网格，从而降低解析模型， 并显著提高计算效率。 提供三种迭代计算方法： Newton． Raphson、 Direct INteration 和 Explicit，用户可根据不同工况、不同材料性能选择不同计算方法。 DEFORM 采用的多种控制选项和用户子程序使用户在定义和分析问题时有很大的灵活性。 DEFORM 使用并行求解可显著提高求解速度。 利用 DEFORM 可获得金属成形过程的速度场、静水压力场、应力应变场、温度场结果，以分析型材成形中波浪、扭拧、折叠、裂纹等缺陷。 它可帮助技术人员设计加工模具和产品工艺流程，以减少昂贵的现场试验成本，提高工模具设计 效率，降低生产和材料成本，优化模具结构及工艺参数，缩短新产品的研究开发周期。 20 世纪 70年代后期，位于美国加州伯克利的加利福尼亚大学小林研究室在美国军方的支持下开发出有限元软件 ALPID， 20 世纪 90 年代在这一基础上开发出 DEFOR． M． 2D软件。 该软件的开发者独立出来成立了 SFTC 公司，并推出了 DEFORM 软件。 DEFORM3D 则可以对复杂的模具、等三维零件等进行虚拟样机实现。 DEFORM 通过在计算机上模拟整个金属成形过程，帮助技术人员设计加工模具和产品工艺流程，从而减少了昂贵的现场试验成本；通过提高 工模具设计效率，从而降低生产和材料成本，缩短新产品的研究开发周期。 DEFORM3D 的特点 DEFORM3D 具有以下特点： DEFORM3D 是一个集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性进行模 拟仿真分析。 适用于热、冷、温成形，如材料流动、模具应力、金属微结构和缺陷 产生发展情况等。 DEFORM3D 处理的对象为复杂的三维零件、模具等，其模型来自 CAD 系统的面 或实体造型 (STL／ SLA)格式，并集成有设备成形模型。 材料模型有弹性、刚塑性、热弹塑性、热刚粘塑性、粉末材料、 刚性材料及自 定义类型。 实体之间或实体内部的热交换分析既可单独求解，也可以耦合在成形模 拟过程中分析。 前处理中自动生成边界条件，确保数据准备快速可靠；不需要人工干预，全自 动网格划分；具有 FLOWNET 和点迹示踪、变形、云图、矢量图、力一行程曲线图等后处理功能；具有 2D 切片功能，可以显示工件或模具剖面结果。 烟台大学毕业论文 (设计 ) 6 DEFORM 功能模块 成形过程仿真系统的建立，就是将塑性有限元理论、刚塑性成形工艺学，计算机图形处理技术等相关理论和技术进行有机结合的过程。 DEFORM3D 软件的模块结构是由前处理器、求解器和后处理器三大模块组成。 (1)前处理器。 前处理器包括三个子模块：①数据输入模块，便于数据的交互式输入；②网格的自动划分与自动再划分模块；③数据传递模块，当网格重划分后，能够在新旧网格之间实现应力、应变、速度场、边界条件等数据的传递，从而保证计算的连续性。 这三个模块主要完成以下功能：力学模型的建立与离散化以及初、边值条件的提法是前处理器的关键。 DEFORM 软件充分考虑到用户界面中交互方式的友好性，设计出便于用户理解仿真过程并能实时地监控仿真过程的前置处理器。 材料模型的确定主 要包括：按照既定的弹塑性、弹粘塑性、刚塑性、刚粘塑性模型输入相应的热、物性参数；根据用户提供的试验曲线及数据，软件系统自动进行拟合及转换成仿真所需的模型和参数。 数据交换接口为用户提供与其它图形系统的数据和几何信息的交流途径，目前 DEFORM3D 软件不具备实体造型能力，但它提供一些通用的 CAD软件数据接口，如 IGES、 STL、 UNV 接口进行转换。 (2)求解器。 真正的有限元分析过程是在求解器中完成的。 DEFORM 运行时，首先通过有限元离散化将平衡方程、本构关系和边界条件转化为非线性方程组，然后通过直接迭代法 和 Newton— Raphson 法进行求解，求解的结果以二进制的形式进行保存，用户可以在后处理器中获取所需要的结果。 (3)后处理器。 DEFORM 软件的后处理器主要是对有限元计算产生的大量数据 进行解释，用于显示计算结果，结果可以是图形形式，也可以是数字、文字混编的形式，获取的结果可为每一步有限元网格；等效应力、等效应变以及破坏程度的等高线和等色图；速度场；温度场；压力行程曲线等。 此外用户还可以列点进行跟踪，对个别点的轨迹、应力、应变、破坏程度进行跟踪观察，并且根据需要抽取数据。 DEFORM3D 有关功能模块在本课题研究中的应用 本课题所用的 DEFORM3D 功能模块为 Machining 模块。 在主窗口界面右侧点击前处理 Pre Processor 中的 Machjning 选项，即可进入切削前处理界面。 在前处理器中，需设置切削参数、工作温度和接触面属性；选择刀具和工件的材料、形状；进行网格的划分及设定模拟条件，并最后检查设定结果，最后生成后缀为 DB 的文件，则前处理阶段完成。 完成切削模型前处理过程后，用鼠标左键点击文件目录菜单下的． DB文件，接着点击 DEFORM 主窗口右侧 Simulator 标题下的 run 选项， 则可开始切削过程的模拟。 在主窗口的 Message 和 Log 标签下可以查看运行过程中每一步时间起止、烟台大学毕业论文 (设计 ) 7 节点、接触等状况。 运算时以 Step 的形式保存数据，并存到生成的 ． DB文件内。 在模拟过程中，不仅可以随时中断和结束模拟，还可以进入后处理器观察模拟效果。 在模拟正常结束后，选择生成的 ． DB 文件，单击主窗口左侧的 Post Processor 栏下的DEFORM3D Post 选项，出现后处理窗口。 在后处理窗口中，可以观察整个动态模拟过程，每一步下刀具或工件的状态及进行其它一些分析。 基于 DEFORM3D 切削模 型的建立 有限元模型的建立就是将。