基于尺寸效应的TC4合金激光辅助微铣削切削力建模及仿真

摘要

激光辅助微铣削为用TC4等难加工材料加工微小复杂结构提供了一种优良的解决方案。利用激光对材料进行软化可以降低切削力、增加材料去除率，减小刀具磨损。由于激光的引入使原本微铣削中单一的机械作用变为了热场-机械场耦合作用，这使得微铣削中原本就较为复杂的材料去除过程变得更加复杂。切削力与材料微量去除机理、刀具磨损机理、材料表面加工质量都密切相关，本文将激光辅助微铣削中TC4材料的切削力模型作为研究对象进行研究。
　　首先，在微铣削切削力模型建立时考虑切削机理，将微铣削分为弹性、耕犁、剪切三个独立阶段，根据各阶段不同特点对各阶段分别建立模型。该模型中考虑了刃口圆弧半径、刀尖圆弧半径、最小切削厚度以及刀刃轨迹、顺逆铣等因素。通过实验验证时发现模型与实验之间幅值相差较小，该模型可以很好地反映激光辅助微铣削时切削力的变化情况。
　　然后，通过对激光加热及材料去除过程导致的温升进行研究，获得此时微铣削中温度敏感参数的变化情况。将在微铣削中设为常数的这些参数用随温度变化的变量代替，建立了激光辅助微铣削切削力计算模型。该模型同时反映了温度场、尺寸效应对切削力的影响。利用实验数据进行验证，发现模型与实验之间幅值相差较小，该模型可以较好地反映激光辅助微铣削切削力的变化情况。
　　最后，利用有限元仿真软件对TC4材料分别进行微铣削、激光辅助微铣削三维动态仿真，仿真选择切削力输出。利用Fortran语言描述激光扫描后温度的空间分布情况，将其输入微铣削仿真中获得激光辅助微铣削的切削力。将微铣削仿真、激光辅助微铣削仿真获得的切削力与各自模型计算的切削力进行对比，发现与微铣削及LAMM时实验与理论计算数据之间的差值相比，微铣削仿真、激光辅助微铣削仿真与各自模型计算值之间的差异较大，但仿真能大致反映切削力变化情况。

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第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2国内外研究现状及分析

1.3本文主要内容

第2章 微铣削切削力建模

2.1微铣削切削力研究方案

2.2弹性、耕犁和剪切三阶段分界点的确定

2.3弹性阶段的切削力模型算法

2.4耕犁阶段的切削力模型算法

2.5剪切阶段的切削力模型算法

2.6刀尖处的切削力模型算法

2.7积分区间确定

2.8未知参数数值求解

2.9微铣削模型的实验验证

2.10本章小结

第3章 激光辅助微铣削切削力模型

3.1激光辅助微铣削温度场分布

3.2温度对材料以及加工参数的影响

3.3激光加入后模型参数修改

3.4激光辅助微铣削模型的实验验证

3.5本章小结

第4章 微铣削及激光辅助微铣削有限元仿真

4.1微铣削仿真

4.2非均匀温度场下激光辅助微铣削仿真

4.3本章小结

结论

参考文献

附录 TC4合金材料特性及铣刀参数

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致谢