钛合金微铣削加工数值模拟与实验研究

摘要

钛合金由于其重量轻、强度高，尤其是好的抗腐蚀性，广泛地应用于航天结构和医学植入体等领域。作为医学植入体等结构表面需要微小结构来实现其性能，比如通过其表面微小结构来提高它的生物相容性。微铣削加工能很好地得到复杂的微小三维表面，而且微铣削加工不受被加工材料限制，加工成本较低，可以广泛应用于微小结构加工中。而钛合金由于其导热系数低，与刀具材料的粘结性高，导致钛合金成为难加工金属材料。因此，针对钛合金在微铣削加工条件下的切削加工性的研究是非常必要的。
　　本文通过理论分析和数值模拟的方法，预测了钛合金微铣削过程中的切削力和切削热；采用实验研究的方法，研究了不同切削参数对钛合金微铣削过程中铣削力和表面粗糙度的影响规律。
　　根据现有的铣削力公式对其进行了改进，建立了考虑刀具刃口半径、刀具等效前角及刀具偏心等因素的钛合金微铣削加工铣削力和铣削热数学模型，通过数学模型分析了切削参数对铣削力和铣削热的影响。
　　利用有限元软件ABAQUS，建立了钛合金切削二维正交模型、二维旋转模型和三维微铣削模型，对加工过程中的切削力和切削热以及刀具偏心进行了有限元仿真。通过数值模拟分析，得到了不同切削参数对钛合金微铣削过程中的切削力和切削热的影响规律。
　　分别采用正交试验和单因素试验两种方法，对钛合金进行了微铣削实验，得到了不同切削参数对切削力和表面粗糙度的影响规律。实验结果与数学模型和有限元模拟得到的结果较好的一致。通过对加工表面缺陷和毛刺的分析，得到了实验条件下钛合金微铣削加工的合理加工参数组合。

目录

钛合金微铣削加工数值模拟与实验研究

Numerical Simulation And Experimental Research On Micro Milling Of Titanium Alloy

摘要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 微铣削国内外研究现状

1.2.1 微铣削力建模

1.2.2 微铣削表面质量

1.3 钛合金切削国内外研究现状

1.4 论文主要内容

第2章 微铣削理论模型建立

2.1 引言

2.2 微铣削力模型

2.2.1 未变形切削厚度的确定

2.2.2 微铣削力特征

2.2.3 微铣削力模型的建立

2.2.4 微铣削力模型的积分上下限确定

2.2.5 微铣削力模型的验证

2.2.6 刀具偏心对未变形切削厚度的影响

2.3 微铣削过程的切削热模型

2.3.1 在主要变形区和第二变形区热量的产生

2.3.2 金属切削过程中热量的传递

2.3.3 预测刀具-切屑交界面上的最高温度

2.4 本章小结

第3章 钛合金微铣削有限元仿真

3.1 引言

3.2 有限元仿真的关键问题

3.2.1 材料本构模型

3.2.2 材料失效准则

3.2.3 刀具-工件的摩擦关系

3.3 二维正交有限元模型仿真

3.3.1 二维正交有限元模型的建立

3.3.2 切削速度对切削热和切削力的影响

3.4 二维旋转有限元模型仿真

3.4.1 二维旋转有限元模型的建立

3.4.2 刀具刃口钝圆半径

3.4.3 刀具偏心有限元仿真

3.5 微铣削三维有限元仿真

3.5.1 三维微铣削有限元仿真模型的建立

3.5.2 三维微铣削有限元仿真结果

3.6 本章小结

第4章 钛合金微铣削实验研究

4.1 引言

4.2 实验条件和实验方案

4.2.1 实验条件

4.2.2 实验方案

4.3 铣削力采集和分析

4.4 已加工表面粗糙度测量

4.5 微铣削正交试验研究分析

4.5.1 微铣削正交实验设计

4.5.2 微铣削基准面的确定

4.5.3 微铣削力正交实验研究

4.5.4 微铣削已加工表面粗糙度正交实验研究

4.6 微铣削单因素试验研究分析

4.7 微铣削钛合金表面形貌及毛刺研究

4.7.1 微铣削钛合金表面形貌

4.7.2 微铣削钛合金表面残留毛刺

4.8 切削力实验结果与三维有限元仿真结果对比

4.9 本章小结

结论

参考文献

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致谢