刀具和切削参数对Ti6AI4V立铣加工影响的仿真研究

摘要

钛合金Ti6A14V具有良好的机械力学性能,被广泛应用到航空航天、石油化工、汽车等重要机械制造领域。Ti6A14V是难加工材料,具有加工硬化、化学活性大、导热性差、弹性模量小的特点。其差的切削加工性使得加工中刀具磨损加快,加工表面质量变差。提高钛合金的切削加工效率是制造业中迫切需要解决的难题。
　　论文在钛合金铣削加工现状综述分析基础上,对钛合金Ti6A14V铣削机理与工艺进行系统的仿真和实验研究,通过有限元仿真得到的切削力、切削温度及计算得到的单位切削能作为评价切削性能的数据指标,以研究刀具几何参数、刀具材料及涂层、切削参数对Ti6A14V切削性能的影响规律。
　　建立平头立铣刀三维立铣模型,采用单因素实验法模拟分析TiAlN/TiN/TiAlN涂层硬质合金平头立铣刀刀具螺旋角、刀具径向前角和刀具齿数对切削力、单位切削能及切削温度的影响,研究发现:对切削力和单位切削能的影响从大到小依次是刀具齿数、刀具径向前角、刀具螺旋角;对于切削温度,刀具齿数影响最大,刀具螺旋角次之,刀具径向前角最小;立铣刀刀具螺旋角选为45°、刀具齿数选为3、刀具径向前角选为10.5°时,刀具切削性能最佳。
　　通过涂层硬质合金平头立铣刀三维铣削仿真模型仿真分析硬质合金立铣刀的涂层厚度(0.5μm、1μm、1.5μm、2μm、2.5μm、3μm、3.5μm、4μm、4.5μm、5μm、5.5μm、6μm)及涂层材料(未涂层、TiAlN(4μm)、Al2O3(4μm)、Al2O3/TiN(2μm/2μm)、TiAlN/Al2O3/TiN(2μm/1μm/1μm))对刀具切削温度、切削力及单位切削能的影响规律,结果显示涂层刀具切削力及刀具切削温度均低于未涂层刀具;相同涂层材料,涂层厚度越大,刀具切削温度越低;单位切削能随涂层厚度的增加而减小,Al2O3涂层刀具的切削性能最优。
　　采用单因素方法研究切削速度、每齿进给量、径向切削深度、轴向切削深度对钛合金Ti6A14V铣削过程的影响。切削速度由低升高时,切削力值先升高后降低,临界切削速度值为120m/min;切削力及切削温度均随着每齿进给量、轴向切削深度及径向切削深度的增加而增加:切削温度对轴向切削深度和径向切削深度的变化较为敏感。
　　建立钛合金Ti6A14V铣削加工有限元仿真模型,分析未涂层K类硬质合金、PCD、PCBN以及单晶金刚石四种刀具材料对刀具切削温度、切削力、温度场和米塞斯应力场的影响规律,结果显示天然金刚石刀具不适用于钛合金的加工,PCD刀具用于精加工钛合金,K类硬质合金刀具可在小的切削参数下用于钛合金的加工,PCBN刀具最适合钛合金的加工,且可采用较大的切削参数。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 钛及其合金

1.1.1 钛合金的主要应用

1.1.2 钛合金的切削加工性

1.2 钛合金加工时的刀具失效模型及磨损机理

1.3 刀具涂层技术

1.3.1 刀具涂层技术的发展现状

1.3.2 刀具涂层技术的发展方向

1.4 铣削加工的特点

1.5 刀具几何参数对钛合金切削加工性能的影响

1.5.1 刀具圆弧半径

1.5.2 刀具前角

1.5.3 刀具螺旋角

1.5.4 刀具后角

1.6 仿真软件的选择

1.7 课题来源及主要研究内容

第2章 Ti6A14V立铣加工刀具几何参数研究

2.1 平头立铣刀铣削三维有限元仿真

2.1.1 平头立铣刀铣削三维有限元仿真模型

2.1.2 工件材料Ti6A14V的本构模型

2.1.3 平头立铣刀铣削Ti6A14V有限元参数设置

2.2 铣削Ti6A14V有限元仿真切削力实验验证

2.3 平头立铣刀铣削Ti6A14V的有限元仿真结果分析

2.3.1 刀具螺旋角对切削力、单位切削能及切削温度的影响

2.3.2 刀具齿数对切削力、单位切削能及切削温度的影响

2.3.3 刀具径向前角对切削力、单位切削能及切削温度的影响

2.4 本章小结

第3章 Ti6A14V立铣加工刀具涂层研究

3.1 立铣加工三维铣削模型的建立及实验验证

3.1.1 Ti6A14V材料的本构模型

3.1.2 平头立铣刀三维铣削Ti6A14V有限元仿真模型

3.1.3 铣削Ti6A14V有限元仿真切削力实验验证

3.1.4 平头立铣刀铣削Ti6A14V有限元参数设置

3.2 平头立铣刀铣削Ti6A14V有限元仿真结果与分析

3.2.1 涂层厚度对切削力、单位切削能及刀具切削温度的影响

3.2.2 涂层材料对切削力、单位切削能及刀具切削温度的影响

3.2.3 切削速度对涂层刀具、未涂层刀具切削力的影响

3.3 本章小结

第4章 Ti6A14V立铣加工切削参数的单因素研究

4.1 平头立铣刀铣削Ti6A14V有限元仿真参数设置

4.2 平头立铣刀铣削Ti6A14V的有限元仿真结果分析

4.2.1 切削速度对切削力、切削温度影响的仿真分析

4.2.2 每齿进给量对切削力、切削温度影响的仿真分析

4.2.3 轴向切削深度对切削力、切削温度影响的仿真分析

4.2.4 径向切削深度对切削力、切削温度影响的仿真分析

4.3 本章小结

第5章 Ti6A14V铣削加工刀具材料的研究

5.1 刀具材料

5.1.1 刀具材料应具备的性能

5.1.2 钛合金Ti6A14V加工用刀具材料

5.2 铣削加工Ti6A14V有限元仿真设置

5.3 铣削加工Ti6A14V的有限元仿真结果分析

5.3.1 不同材料刀具铣削加工Ti6A14V的切削力

5.3.2 不同材料刀具铣削加工Ti6A14V的刀具温度峰值

5.3.3 不同材料刀具铣削加工Ti6A14V的刀具温度场分布

5.3.4 不同材料刀具铣削加工Ti6A14V的刀具应力场分布

5.4 本章小结

结论和展望

参考文献

攻读硕士期间发表的学术论文

致谢

学位论文评阅及答辩情况表