钛合金车削过程切削参数对切削力影响的有限元仿真

文献综述

1. 研究的目的及意义

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。目前，钛合金切削的研究越来越多的集中在高速切削等特殊加工方法上。但是随着钛合金应用的普及，普通车床仍然是加工钛合金的主要设备。因此本课题选择在普通车床上进行钛合金的车型性能研究，具有更重要的现实意义。 近年来国际航空制造业发展迅猛，根据波音公司预测，未来年航空发动机市场将达到亿美元。在未来每年亿美元以上的航空发动机业务中，美国通用电气、普惠，英国罗罗三大公司占接近。中国作为世界制造业的中心，这些公司都在持续扩大其在中国的转包业务，同时中国商用飞机有限公司的成立让中国人的“大飞机”梦想朝着实现的目标又前进了一步，作为国防工业重要组成部分的运载火箭、导弹等的更新换代，这些将会给我国航空工业带来重大的发展机遇。航空航天产业为国防工业和制造业最重要的组成部分之一，随着现代飞机、航天器性能要求的不断提高，为了减轻重量，增加机动性和增加有效载荷和航程，航空航天零件材料在不断变革，在航空发动机和飞机结构件中钛合金、高温合金、的含量将占主导地位，图和图分别为航空发动机和飞机结构零件。而钛合金零件是难切削的工件材料，并且零件大多是复杂而薄壁的形状，具有较高的尺寸精度和光洁度，大的金属去除量等特点，所以如何保证切削过程的高效、精密、安全是加工过程的重点和难点。目前，我国对难加工材料的加工效率和质量仍处于较低的水平，这与日益增长的加工需求构成了相当大的矛盾，成为制约航空制造业发展的原因之一。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。

二、国内外同类研究概况

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beta;21s 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。

有限元模拟方法最早于上个世纪年代被应用于切削工艺方面，与传统的解析算法相比，此方法既提高了分析精度又可以有效的减少试验次数，使得研究成本降低。有限元仿真技术在金属切削中的应用主要是研究切削加工过程中的物理现象，并且根据有限元解析的结果，可将切屑形成过程的应力、应变、温度、残余应力、应变速率等物理量实现可视化[fl}l。动态且直观的仿真结果不但可以深入地了解切削过程中影响切削加工质量的各种因素的变化规律，而且能对材料的切削机理进行深入的研究，这对实践也有着重要的指导价值和意义。

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。

随着生产的发展，钦合金不仅仅应用于航空和军事领域，正越来越多的应用在生产生活的各个方面。但由于其特殊的材料性能使其加工效率比较低下，加工成本较大。因此研究钦合金的切削性能，提高加工效率具有重要的意义。在金属的切削过程中切削力、表面粗糙度、刀具的磨损和切屑控制是反映材料切削加工性的主要指标。本文对钦合金的切削性能研究首先从切削实验方面进行。研究了切削力和表面粗糙度随各切削参数(进给量、切削深度和切削速度)变化的规律，并得出了切削力和表面粗糙度的经验公式。同时对切削过程中刀具磨损和切屑排出的难易程度进行分析，得出了，在钦合金切削过程中刀具的磨损形态和切屑形态，并分析了其影响因素。最后分别得出了为减小切削力和刀具磨损，提高表面粗糙度及有利于切屑排出的合理切削参数。