鈦合金高速銑削過程建模.pdf

1、鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕和耐高溫等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用于航空、航天等重要領(lǐng)域,但它同時(shí)也是一種典型的難加工金屬材料。銑削是鈦合金機(jī)械加工最廣泛使用的加工方法,高速銑削具有很高的加工效率,可獲得較高的加工精度,也能降低切削熱對(duì)加工表面的影響。目前基于有限元分析方法的鈦合金切削研究多為理想狀態(tài)的正交切削模型,而缺乏比較準(zhǔn)確的銑削有限元模型。
　　論文以自然科學(xué)基金“熱-力-相變”耦合機(jī)理的精密切削表面殘余應(yīng)力建模(No.51175

2、331)為依托,以探索鈦合金 Ti6Al4V高速銑削機(jī)理為研究目標(biāo),建立基于ABAQUS軟件的更準(zhǔn)確的鈦合金高速銑削有限元模型,仿真預(yù)測(cè)銑削過程中銑削力、銑削溫度、銑屑形態(tài)和銑削工件表面的殘余應(yīng)力分布。采用高速銑削鈦合金實(shí)驗(yàn),通過對(duì)比測(cè)銑削力、銑屑形態(tài)和殘余應(yīng)力三個(gè)方面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)結(jié)果,對(duì)鈦合金銑削有限元模型進(jìn)行驗(yàn)證。論文主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:
　　首先,基于ABAQUS有限元軟件建立了鈦合金 Ti6Al4V高速銑削二維

3、有限元模型,整個(gè)模型包含兩個(gè)子模型:1)銑屑形成過程子模型,在ABAQUS/Explicit顯式計(jì)算中模擬刀齒銑削工件的過程,計(jì)算銑削力,銑削溫度,形成銑屑和已加工表面;2)銑削表面殘余應(yīng)力子模型,將銑削過程子模型模擬完成后得到的已加工工件,導(dǎo)入到ABAQUS/Standard隱式計(jì)算中冷卻到室溫25℃釋放熱應(yīng)力,并通過后處理得到沿已加工工件表面的殘余應(yīng)力分布。整個(gè)模型模擬預(yù)測(cè)了未變形銑屑厚度對(duì)銑屑形態(tài)、銑削力和銑削表面殘余應(yīng)力的影響。

4、隨著未變形銑屑厚度由厚變薄,銑屑將會(huì)由劇烈的鋸齒狀轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)形,連續(xù)波動(dòng)的銑削力也會(huì)逐漸從峰值降低至零,銑削表面殘余應(yīng)力的影響層深度不斷減小。
　　基于該模型系統(tǒng)地分析了銑削轉(zhuǎn)速和進(jìn)給量、刀具前角、刀尖圓角半徑對(duì)銑削過程中銑屑形態(tài)和銑削力的影響。刀具轉(zhuǎn)速與進(jìn)給量在600rpm,10mm/s到2400rpm,40mm/s的范圍內(nèi)增大,將導(dǎo)致銑屑鋸齒數(shù)目顯著增多,最大切向力與最大切深抗力減小,工件和銑屑最高銑削溫度增大;刀具前角在5°

5、到15°的范圍內(nèi)增大將導(dǎo)致銑屑卷曲程度的增大,平均切深抗力與平均切向力減小,并且平均切深抗力的減小程度要大于平均切向力,工件和銑屑最高銑削溫度減小;刀尖圓角半徑在5μm到25μm的范圍內(nèi)的增大對(duì)銑屑形態(tài)的影響較小,但是最大切向力、平均切向力與平均切深抗力表現(xiàn)出比較明顯的增大趨勢(shì),對(duì)工件和銑屑最高銑削溫度影響不大。
　　然后,在數(shù)控銑床進(jìn)行了高速銑削鈦合金的驗(yàn)證性試驗(yàn),從銑削力、銑屑形態(tài)和工件表面殘余應(yīng)力三個(gè)方面對(duì)比分析了試驗(yàn)測(cè)得數(shù)

6、據(jù)與有限元預(yù)測(cè)結(jié)果,驗(yàn)證了所建立的高速銑削有限元模型的準(zhǔn)確性。對(duì)比結(jié)果表明:模型預(yù)測(cè)銑削力誤差不超過17.0％;模型預(yù)測(cè)銑屑形態(tài)度量參數(shù)的誤差不超過17.8%;模型預(yù)測(cè)表面殘余應(yīng)力的誤差不超過21.4%。
　　最后,在已驗(yàn)證模型的基礎(chǔ)上建立順次銑削有限元模型,模擬了兩個(gè)刀齒順次銑削過程對(duì)銑削表面殘余應(yīng)力的影響,更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)表面殘余應(yīng)力分布。同時(shí)基于Python語言編寫 ABAQUS腳本程序?qū)崿F(xiàn)鈦合金高速銑削有限元模型的快速建模與