Ti6Al4V钛合金多工步切削加工切屑形成机理研究

摘要

钛合金被广泛应用于航天、医疗、冶金、化工等行业。由于其导热系数低、化学活性大、变形系数小等加工特点，在传统的切削加工过程中常出现锯齿形切屑引起的切削系统振动、加工硬化严重、切削力过大等现象。本文利用实验与仿真相结合的方式分别对钛合金锯齿形切屑形成机理以及多工步加工过程进行了分析，揭示了钛合金多工步加工切屑形成机理。
　　首先进行了钛合金正交切削实验，研究了切削速度、进给量对切削力以及切屑形态的影响规律。结果表明:随着切削速度的增大，切屑锯齿化程度增大，切削力下降;随进给量的增加，切屑锯齿化程度增大，切削力增大。采用剪切角理论分析了钛合金切削过程中的锯齿形切屑形成机理。
　　利用Abaqus有限元软件对钛合金切削进行了仿真建模。采用正交切削实验得到的切屑形态与切削力对有限元模型进行正确性验证。利用仿真模型分析了沿深度方向的残余应力随切削速度与刀具前角的变化规律，结果表明:在不同切削速度与刀具前角情况下，残余应力沿深度方向上的分布规律相同。
　　对钛合金进行了多工步切削实验，研究了加工表面硬度随切削速度、切削厚度的变化规律。分析了切削速度、切削厚度对不同工步加工表面硬度的影响，并对不同加工工步的切屑宏观形态进行了分析。结果表明:固定第二工步切削速度与切削厚度，加工表面硬度随第一工步切削厚度的增加而减小，而随第一工步切削速度的增加无明显变化。
　　利用有限元切削模型对钛合金锯齿形切屑的形成过程进行了模拟，并针对钛合金多工步加工进行了仿真及分析。结果表明:随着第一工步的切削速度增大，第一工步加工表面单元的刚度损伤当量、等效塑性应变PEEQ逐渐下降，Mises应力逐渐上升，导致了第二工步切屑锯齿化程度随第一工步切削速度的增加而减小。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 钛合金性能及切削加工特点

1．2．1 钛合金性能

1．2．2 钛合金切削加工特点

1．3 国内外研究现状

1．3．1 锯齿形切屑形成机理

1．3．2 有限元仿真建模方法

1．3．3 仿真中的切屑形态研究

1．3．4 多工步切削仿真

1．4 目前研究存在的问题

1．5 本文研究主要内容

第2章 钛合金切削实验及绝热剪切理论分析

2．1 钛合金正交切削实验

2．1．1 实验设置及流程

2．1．2 切屑形态分析

2．1．3 切削力分析

2．2 绝热剪切临界条件的理论研究

2．2．1 切屑锯齿化临界条件解析模型

2．2．2 剪切区应变计算

2．2．3 剪切区剪切应变率计算

2．2．4 剪切区温度计算

2．2．5 绝热剪切临界速度计算

2．4 本章小结

第3章 钛合金切削有限元仿真及实验验证

3．1 钛合金正交切削仿真建模

3．1．1 几何模型的建立及网格的划分

3．1．2 本构模型及失效准则

3．1．3 切削接触模型及传热模型的设定

3．2 正交切削模型验证

3．2．1 切削力对比

3．2．2 切屑形态对比

3．3 钛合金多工步切削仿真建模

3．3．1 冷却阶段

3．3．2 工件材料卸载与去约束

3．4 钛合金加工残余应力分析

3．4．1 切削加工残余应力有限元模拟

3．4．2 残余应力方向的选择

3．4．3 切削速度对加工残余应力的影响

3．4．4 刀具前角对加工残余应力的影响

3．5 本章小结

第4章 钛合金加工表面硬度对切屑形成过程的影响

4．1 钛合金多工步正交切削实验

4．2 钛合金加工表面硬度测试及分析

4．3 钛合金切屑宏观形态研究

4．3．1 切削速度对切屑形态的影响

4．3．2 第一工步切削速度对切屑形态的影响

4．3．3 切削厚度对切屑形态的影响

4．4 本章小结

第5章 钛合金多工步切削切屑形成机理研究

5．1 钛合金锯齿形切屑形成过程

5．2 钛合金切屑锯齿化程度的影响因素

5．2．1 切削速度对锯齿化程度的影响

5．2．2 刀具前角对锯齿化程度的影响

5．2．3 导热系数对锯齿化程度的影响

5．3 钛合金多工步加工对切屑形成机理的影响

5．3．1 连续两工步切削对切屑形成机理的影响

5．3．2 第一工步切削速度对切屑形态及加工表面的影响

5．4 本章小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致谢