钛合金外圆车削过程的三维有限元仿真分析

文献综述

1. 研究的目的及意义

采用有限元法来模拟切削过程不但克服了传统的实验方法的费时、费用昂贵的缺点，还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。本课题是以钛合金外圆车削过程的有限元仿真为例，来使用有限元方法对三维外圆车削中的切削力、切削温度和切屑形态进行分析与仿真。课题是为了研究典型塑性材料切削及微切削过程有限元仿真的理论及方法，加深学生对机械加工过程中刀具、工件材料以及切削过程的各种物理现象的理解，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。

1. 国内外同类研究概况

中国钛工业经过60年的发展已取得举世瞩目的成绩，海绵钛和钛加工材产量都已居于世界前列，并形成了完整的研发与生产体系。近二十年，我国开发成功的新型钛合金超过30种，对主要的新型钛合金研发现状与进展进行介绍^[1]。

我国海绵钛和钛加工材的产能己经跃居世界第一位，但与发达国家相比，在技术水平和高端应用上仍存在较 大差距。综述我国航空用钛合金的技术研究现状，提出未来钛合金发展应从综合性能优化、规格品种齐全、应用规 模扩大、规范标准完善、考核验证数据充分等方面提高主干钛合金技术成熟度，按体系发展原则，建立航空用钛合 金材料系列，实现产业结构升级、技术成熟度提升、减能增效、低成本制造及扩大用量等产业化应用目标^[2]。

国外钛工业主要集中在美国、俄罗斯和日本三个国家。由于军事需求减少，近10年来世界钛材产量一直徘徊在5万吨左右。在生产技术方面，克劳尔法仍是生产海绵钛的主导工艺。电子束冷床炉熔炼技术已在钛铸锭的制备上进行了商业化应用，大型锻件和精密锻造技术正在不断地发展，激光成型等近净成型技术正在不断地得到应用。一些常规加工技术如锻造、轧制等已完全实现了计算机自动控制。人工神经网络模型在钛合金中的应用解决了一些钛合金的实际问题^[3]。

目前，世界钛技术的发展趋势为:钛的低成本化制备、加工技术，包括海绵钛生产、钛合金材料设计及加工过程等的低成本化;大型优质钛合金坯料制备技术，包括新型电子束和等离子冷床炉熔炼技术;高效、短流程钛合金加工技术，包括单次冷床炉熔炼直接轧制技术，钛带连续加工技术生产等;近净成型技术，包括激光成形、精密铸造、精密模锻、超塑成型/扩散连接、喷射成形等;钛的推广应用技术，包括生物医用钛、汽车用钛、建筑用钛等。

钛合金铸造技术通常有:陶瓷型壳精密铸造技术、石墨捣实型铸造技术、机加工石墨铸造技术、金属型铸造技术等目前高性能的钛合金大型整体精铸件，大多数都是采用金属面层陶瓷型壳或氧化物面层陶瓷型壳浇注出来的，如美国Howmet公司及PCC已能浇出730-770kg的工件，PCC可生产出直径达2m的大型铸件，铸造尺寸公差可达0.13mm，最小壁厚达1.0-2.Omm在生产条件和生产规模方面各国也进行了改进和储备如美国Howmet公司于1984年扩建了Hampton精铸厂。专门生产4OOmm以上的大型复杂薄壁宇航用的整体精铸钛合金结构件，德国的TiAI公司于1986年扩大了钛合金精铸车问，安装了100t的大型压蜡机，25Okg机械手，3000mm雨淋式撒砂机和自动悬链，具备了生大型复杂薄壁整体精铸钛合金结构件的条件。

美国近期的突出成就是通过计算机工艺模拟、组织控制、热等静压和BSTOA热处理等综合技术获得了高性能的Ti-6A1-4V钛合金大型整体精铸件，其静力及疲劳性能达到了与锻件相同的高水平，因此已将钛铸件扩大应用至F-22战斗机的大型主要承力件^[4]。