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钛合金高速铣削力试验与有限元数值分析

作　者: 易俊杰
导　师: 刘长毅
学　校: 南京航空航天大学
专　业: 航空宇航制造工程
关键词: 钛合金铣削力有限元仿真正交切削三维铣削切屑分离网格重划分
分类号: TG54
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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引　用: 4次
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内容摘要

对钛合金TC4、TC11的铣削力进行了铣削试验研究,并进行二维切削与三维铣削有限元仿真,通过仿真得出铣削力、铣削温度,与试验数据进行对比分析。1从切削热、工件材料模型、切屑分离、摩擦类型四个方面进行切削有限元仿真,其中切屑分离是切削仿真中最重要的技术,本文以ALE、剪切失效、累进损伤失效三种技术,以不同的研究目的,分别应用于有限元切削仿真研究中。2通过自适应和累进损伤失效技术建立了带状切屑二维切削有限元模型并进行了分析;以钛合金锯齿切屑形成机理为研究目的,利用累进损伤失效和网格重划分技术分别实现了二维锯齿切屑仿真;建立了超声振动切削钛合金二维有限元模型并进行了分析。3建立了整体硬质合金铣刀铣削钛合金三维铣削有限元模型,对铣削有限元模型、铣削机理、铣削过程进行了分析,进行了铣削速度、每齿进给量、轴向切深三个铣削参数对铣削力的单因素影响分析。4对钛合金TC4、TC11进行了三因素三水平正交铣削试验,并得到了试验铣削力结果的极差和非线性回归经验公式;为了与试验进行对比,通过减小铣刀直径、保持切削参数不变,建立了改进的三维铣削有限元模型并进行了分析。二维切削仿真结果表明钛合金锯齿切屑的形成机理主要是热塑性失稳导致集中滑移;超声振动切削能有效的降低切削力和切削温度;三维铣削仿真结果与文献结论基本相符。铣削试验结果表明影响铣削力大小的三因素的重要性顺序为:每齿进给量、径向切深、切削速度;改进的铣削有限元仿真结果与实验数据对比,表明变化趋势是一致的。这些研究结果有利于更进一步研究钛合金的切削机理,优化加工参数。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-12
第一章绪论  12-17
  1.1 概述  12-13
  1.2 钛合金切削力试验研究进展和钛合金切削有限元仿真研究进展  13-16
    1.2.1 钛合金高速切削试验研究进展  13-14
    1.2.2 钛合金切削有限元仿真的研究进展  14-16
  1.3 课题主要研究内容  16-17
第二章切削仿真的有限元仿真关键技术研究  17-26
  2.1 切削热理论模型  17-19
    2.1.1 热应力模型  17-18
    2.1.2 前刀面摩擦产生的切削热  18
    2.1.3 刀具和工件的自由表面与空气发生的对流散热  18
    2.1.4 间隙热传导  18-19
  2.2 材料本构模型：JOHNSON—COOK 模型  19-20
  2.3 切屑分离  20-25
    2.3.1 任意拉格朗日欧拉算法  20-23
    2.3.2 剪切失效模型  23
    2.3.3 基于累进损伤失效模型  23-25
  2.4 摩擦类型  25
  2.5 本章总结  25-26
第三章二维正交切削有限元仿真  26-52
  3.1 有限元仿真平台  26-27
    3.1.1 动态显式分析  26
    3.1.2 显式温度分析程序  26
    3.1.3 显式稳定性限制  26-27
    3.1.4 ABAQUS 介绍  27
  3.2 带状切屑有限元仿真与分析  27-33
    3.2.1 TC4 材料参数  27-29
    3.2.2 刀具材料参数  29
    3.2.3 带状切屑有限元模型  29-30
    3.2.4 基于材料失效准则的带状切屑有限元仿真  30-32
    3.2.5 基于ALE 的带状切屑有限元仿真  32-33
  3.3 累进损伤失效技术实现锯齿切屑有限元仿真  33-41
    3.3.1 锯齿切屑成型机理  33-34
    3.3.2 锯齿切屑正交切削有限元模型  34-35
    3.3.3 结果分析  35-41
  3.4 网格重划分技术实现锯齿切屑有限元仿真  41-47
    3.4.1 有限元模型的建立  42
    3.4.2 锯齿切屑形成的模拟结果与分析  42-47
  3.5 钛合金TC4 超声振动切削有限元仿真  47-51
    3.5.1 振动切削模型  47-48
    3.5.2 结果分析  48-51
  3.6 本章总结  51-52
第四章钛合金三维铣削有限元仿真  52-63
  4.1 TC11 工件材料参数  52-53
  4.2 斜角切削的有限元仿真  53-54
    4.2.1 斜角切削的有限元模型  53
    4.2.2 斜角切削有限元仿真结果分析  53-54
  4.3 整体硬质合金铣刀铣削有限元模型建立  54-55
  4.4 沙漏能的控制和质量放大系数的应用  55-57
  4.5 整体硬质合金铣刀铣削有限元结果分析  57-59
  4.6 单因素铣削参数对铣削力、铣削温度的影响  59-62
    4.6.1 铣削速度对铣削力的影响  59-60
    4.6.2 每齿进给量fz 对铣削力的影响  60
    4.6.3 轴向切深ap 对铣削力的影响  60-61
    4.6.4 铣削速度v 对铣削温度的影响  61-62
  4.7 本章总结  62-63
第五章钛合金高速铣削力试验  63-73
  5.1 高速铣削力试验方案  63-66
    5.1.1 工件材料  63
    5.1.2 试验仪器  63
    5.1.3 铣削力的测量与处理  63-66
  5.2 TC4 铣削力试验  66-67
    5.2.1 TC4 试验方案  66-67
  5.3 TC11 铣削力试验  67-69
    5.3.1 TC11 可转位铣刀试验方案  67-68
    5.3.2 TC11 整体硬质合金铣刀试验方案  68-69
  5.4 铣削力试验与有限元仿真的对比分析  69-72
    5.4.1 铣削有限元模型的改进  69-70
    5.4.2 有限元结果分析  70-72
  5.5 本章总结  72-73
第六章总结与展望  73-75
  6.1 总结  73-74
  6.2 展望  74-75
参考文献  75-80
致谢  80-81
在学校间的研究成果及发表的学术论文  81

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