TC4切削的數(shù)值模擬開(kāi)題報(bào)告

PAGEPAGE5開(kāi)題報(bào)告題目名稱TC4切削的數(shù)值模擬題目來(lái)源A題目類(lèi)型2導(dǎo)師姓名XXX學(xué)生姓名XXX班級(jí)學(xué)號(hào)XXX專業(yè)材料成型及控制工程一、TC4切削數(shù)值模擬的背景和意義鈦合金作為21世紀(jì)社會(huì)發(fā)展最重要的金屬之一，受到各國(guó)越來(lái)越高的重視。隨著各國(guó)研發(fā)力度的加大，鈦合金的應(yīng)用也必將越來(lái)越廣泛，其應(yīng)用領(lǐng)域現(xiàn)在已經(jīng)拓展到了軍事、生物醫(yī)學(xué)、汽車(chē)等眾多領(lǐng)域，其應(yīng)用程度成為一個(gè)國(guó)家工業(yè)裝備先進(jìn)程度的標(biāo)志，體現(xiàn)一個(gè)國(guó)家制造業(yè)技術(shù)實(shí)力。目前，隨著應(yīng)用需求的不斷擴(kuò)大，鈦合金的生產(chǎn)制造面臨了更大的問(wèn)題，雖然鈦合金在各領(lǐng)域能夠體現(xiàn)出優(yōu)良的性能，能起到其他金屬無(wú)法替代的作用，但鈦合金在生產(chǎn)制造中所需要付出的高成本和一些技術(shù)難題仍然困擾著該行業(yè)。由于鈦合金切削時(shí)具有切削溫度高、摩擦力大、刀具磨損嚴(yán)重等許多不利的切削特性，使得鈦合金加工相當(dāng)困難，加工鈦合金的速度比加工鋼的速度約低一半，它的制造成本也比加工一般金屬就高很多。因此，能否提高鈦合金的加工效率，降低生產(chǎn)鈦合金零件的成本，在一定程度上決定了鈦合金能否在生產(chǎn)各領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。高速切削加工被公認(rèn)為制造業(yè)中最為重要的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，它具有高效、優(yōu)質(zhì)、低耗等滿足時(shí)代要求的優(yōu)點(diǎn)。在常規(guī)切削加工中備受困擾的一系列問(wèn)題，通過(guò)應(yīng)用高速切削加工得到了解決，與傳統(tǒng)切削加工相比，高速切削加工發(fā)生了本質(zhì)性的飛躍，其單位功率的金屬切除率可以提高30~40%，它的切削力反而降低了30%左右，刀具壽命甚至可以提高70%，由于快速切掉的切屑帶走大量的熱量，留存于工件的切削熱大幅度降低，有效的實(shí)現(xiàn)高效率切除材料。由于種種切削優(yōu)勢(shì)，高速切削加工技術(shù)受到了整個(gè)制造業(yè)的青睞。由于鈦合金是典型的難加工材料，目前它的切削加工速度普遍較低。一些發(fā)達(dá)國(guó)家的制造企業(yè)已開(kāi)始使用數(shù)控超高速精密銑削技術(shù)加工鈦合金零件，切削速度可以達(dá)到200~400m/min。國(guó)內(nèi)的很多大型企業(yè)雖然配備了比較先進(jìn)的數(shù)控設(shè)備，但加工效率仍然落后于發(fā)達(dá)國(guó)家，國(guó)內(nèi)較先進(jìn)的企業(yè)切削鈦合金的切削速度基本保持在40~80m/min，而一般的企業(yè)仍然維持在20m/min左右。因此，提高鈦合金的切削效率成了整個(gè)制造業(yè)共同的目標(biāo)，高速切削加工技術(shù)在鈦合金加工領(lǐng)域的應(yīng)用順理成章的成為學(xué)者的理想措施。切削加工過(guò)程中切削力、切削溫度、切屑形成以及殘余應(yīng)力分布情況等切削機(jī)理之間相互影響，它們的綜合效果對(duì)刀具壽命、被加工工件表面質(zhì)量等起到?jīng)Q定性作用。所以在高速切削范圍內(nèi)，對(duì)鈦合金的切削加工進(jìn)行理論仿真，利用有限元軟件，通過(guò)合理有效的有限元法對(duì)切削機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)的研究，可以為實(shí)際加工中計(jì)算切削功率、設(shè)計(jì)與使用機(jī)床、刀具和夾具提供重要的依據(jù)，為優(yōu)化切削參數(shù)、刀具結(jié)構(gòu)、加工工藝，以延長(zhǎng)刀具的加工壽命，提高工件的加工質(zhì)量，有效提高鈦合金加工效率，降低加工成本提供理論指導(dǎo)意義。二、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀早在20世紀(jì)五六十年代，西方發(fā)達(dá)國(guó)家如英國(guó)、美國(guó)等就開(kāi)始了鈦合金加工的研究，進(jìn)行了大量的關(guān)于鈦合金切削力、切削溫度、切屑形成以及刀具壽命等研究。Komanduri最早利用正交切削研究鈦合金的切屑形成機(jī)理，同時(shí)提出了鋸齒狀切屑的突變剪切失穩(wěn)理論。1951年，Lockheed公司就進(jìn)行了鈦合金銑削試驗(yàn)。Jawaid等進(jìn)行了鈦合金Ti6Al4V的刀具磨損試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明研磨的刀具和細(xì)晶粒刀具表現(xiàn)出較好的耐磨性。Hong和Markus等對(duì)液氮澆注方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究，在斷屑臺(tái)和刀具表面之間安裝微型噴嘴，使液氮直接噴在了刀尖部位，既有效地延長(zhǎng)了刀具耐用度，又避免了浪費(fèi)。Iordanoff和Nou用離散元法對(duì)鈦合金切削的刀具磨損進(jìn)行了分析，研究表明離散元法對(duì)控制刀屑接觸有很好的幫助。由于世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家都有自己的切削數(shù)據(jù)庫(kù)，所以對(duì)鈦合金的切削加工的研究都比較系統(tǒng)。我國(guó)對(duì)鈦合金的研究起始于1954年北京有色金屬研究總院。50多年來(lái)，我國(guó)很多科研單位投入到鈦合金的切削試驗(yàn)加以驗(yàn)證，建立了鈦合金切削刀具選擇模型。滿忠雷、何寧等從綠色切削的理念出發(fā)，用硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行了鈦合金高速切削的單因素試驗(yàn)，得出了切削參數(shù)對(duì)切削力的影響規(guī)律；并比較分析了氮?dú)庥挽F、空氣油霧介質(zhì)、干切削下切削力的變化特點(diǎn)。齊德新對(duì)切削鈦合金B(yǎng)T20時(shí)的切削力、切屑形態(tài)、刀具磨損和破損形態(tài)及機(jī)理進(jìn)行了研究，對(duì)刀具幾何參數(shù)、刀具材料、切削參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，在此基礎(chǔ)上研制出適用該材料的新型端面切削刀具。楊蕾根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量切削力曲線上一些特征點(diǎn)，用回歸方法求解銑削力系數(shù)，建立了鈦合金TC4切削力模型。馮志勇應(yīng)用powen方法求解切削力系數(shù)，建立了非線性切削力模型。山東大學(xué)徐志平、孫杰掣等建立了基于鈦合金Ti6A14V的二維正交切削有限元仿真模型，并在其基礎(chǔ)上對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行了分析。山東大學(xué)陳建嶺、李劍鋒等建立了鈦合金切削加工中考慮刃口犁耕效應(yīng)的切削力學(xué)模型，建立了適合高速切削范圍的切削力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)模型。楊勇等提出了主、副切削刃同時(shí)進(jìn)行切削的有限元模型，在一定切削速度條件下對(duì)Ti6A14V進(jìn)行了切削加工切削力的數(shù)值模擬研究，總結(jié)了一個(gè)周期內(nèi)切削力的變化規(guī)律。陳建嶺、李劍鋒以溫度測(cè)量試驗(yàn)為參照，利用有限元方法，建立切削仿真模型，對(duì)工件變形區(qū)和刀具的溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析。陳建嶺、李劍鋒利用切削試驗(yàn)和X射線衍射應(yīng)力測(cè)量方法，研究了切削參數(shù)對(duì)已加工表面殘余應(yīng)力的影響?？傮w來(lái)講，國(guó)內(nèi)對(duì)鈦合金切削加工性的研究與歐美發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍有不小的差距，各研究單位對(duì)鈦合金切削加工研究主要集中在普通切削加工的理論和實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域，近兩年山東大學(xué)、江蘇大學(xué)等逐漸嘗試有限元法對(duì)鈦合金加工進(jìn)行仿真分析，并且取得了一定的成果，仿真分析主要基于二維模型，或者在普通切削加工中的切削仿真，它對(duì)切削加工過(guò)程中很好地解決加工質(zhì)量、效率、刀具磨損等問(wèn)題起到極其重要的作用。三、課題主要內(nèi)容通過(guò)對(duì)鈦合金的應(yīng)用及其切削加工研究現(xiàn)狀的分析，鈦合金的高效切削是未來(lái)發(fā)展的主要趨勢(shì)，也是鈦合金廣泛應(yīng)用所需亟待解決的難題。為了對(duì)鈦合金的高速切削機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)全面的研究，本課題致力于建立起正確的切削仿真模型，對(duì)鈦合金切削加工過(guò)程進(jìn)行虛擬數(shù)值模擬，研究切削過(guò)程的切削狀況。本文主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：鈦合金高速切削仿真模型的建立。有限元仿真模型主要有幾何模型及其網(wǎng)格劃分、材料的流動(dòng)應(yīng)力模型、切屑分離準(zhǔn)則、材料的斷裂準(zhǔn)則等模型。本課題根據(jù)不同的研究對(duì)象，設(shè)定不同的切削仿真模型，能夠較好的說(shuō)明問(wèn)題，得到較準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。TC4高速切削力的仿真分析。為了更好地研究鈦合金高速切削過(guò)程中切削力的規(guī)律，本課題建立了二維仿真模型，在該基礎(chǔ)上，對(duì)切削力進(jìn)行了仿真并建立了其指數(shù)的數(shù)學(xué)模型，分析了切削速度、切削深度對(duì)切削力的影響規(guī)律。鈦合金高速切削鋸齒切屑形成機(jī)理分析。鈦合金在切削加工過(guò)程中很容易形成鋸齒切屑，這是它典型的切削特征。目前鋸齒切屑形成原理仍然存在著分歧，主要有周期性裂紋擴(kuò)展理論和絕熱剪切理論。本課題對(duì)TC4鋸齒切屑一個(gè)鋸齒的形成過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的跟蹤仿真，并研究了切削參數(shù)對(duì)切屑鋸齒形狀的影響。四、畢業(yè)設(shè)計(jì)具體進(jìn)度安排序號(hào)設(shè)計(jì)（論文）各階段名稱日期1收集相關(guān)資料，明確設(shè)計(jì)任務(wù)，完成開(kāi)題報(bào)告12.26-2.202完成英文資料翻譯，熟悉ABAQUS軟件，建立幾何模型2.20-3.263完成網(wǎng)格劃分，完成仿真過(guò)程3.27-4.244評(píng)價(jià)仿真結(jié)果，改進(jìn)模型及分析步驟4.25-5.85完善設(shè)計(jì)，撰寫(xiě)設(shè)計(jì)論文5.9-5.276交資料、準(zhǔn)備并進(jìn)行畢業(yè)答辯5.28-6.7五、參考文獻(xiàn)[1]張春江．鈦合金切削加工技術(shù)[M]．西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，1986．[2]張旭．高速切削技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.8．[3]吳引江，羅建軍，段慶文．鈦合金工業(yè)進(jìn)展[J]．[4]陳五一，袁躍峰．鈦合金切削加工技術(shù)研究進(jìn)展[J]．航空制造技術(shù)，2010，(15)：26-30[5]張伯霖．高速切削技術(shù)及應(yīng)用[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.8[6]何寧．高速加工理論與應(yīng)用[M]．北京：科學(xué)出版社，2010[7]Che—HaronCH．Toollifeandsurfaceintegrityinturningtitaniumalloy[J]．JournalofMaterialsProcessingTechnology，2001，118(1/3)：231-237．[8]GeYingfei，F(xiàn)uYucan，XuJiuhua．Experimentalstudyonhighspeedmillingof7-TiAIalloy[J]．KeyEngineeringMaterials，2007，339：6-10[9]JawaidA．TheeffectofmachiningonsurfaceintegrityoftitaniumalloyTi-6%Al一4%V[J]．JournalofMaterialsProcessingTechnology，2005，166(2)：188-192[10]MantleAL，AspinwallDK．Surfaceintegrityofahighspeedmilledgammatitaniumcaluminide[J]．JournalofMaterialsProcessingTechnology，2004，118(1/3)：143—150.[11]AnalysisofRollingContact.JournalofTribology.1994,116:577-585[12]肖永清．詮釋現(xiàn)代車(chē)用鈦合金的應(yīng)用及前景[J]．鋁加工，2008，(1)：41-43[13]沈保羅，馮可芹，高升吉．鈦合金的應(yīng)用和應(yīng)力腐蝕[J]．四川化工與腐蝕控制，2000，(3)：43-45[14]楊蕾．鈦合金車(chē)削的實(shí)驗(yàn)研究與有限元仿真[M]．蘇州：蘇州大學(xué)，2009，2-3[15]馮志勇，馬光鋒，張桂木．鈦合金切削加工性綜述[J]．煤礦機(jī)械，2002，(11)：3-4[16]徐志平、孫杰掣．切削速度對(duì)工件表面殘余應(yīng)力的有限元模擬.工具技術(shù),2005,39(9):33-36[17]陳建嶺、李劍鋒．基于剪切帶斷裂特征的鋸齒形切屑形成機(jī)理演化的研究[期刊論文]-工具技術(shù)2010(10)．[18]