TC4钛合金微孔加工钻削力的仿真与试验研究

摘要

随着现代工业的发展，产品小型化、精密化逐步成为制造业发展的趋势之一。微孔钻削因为其高效率、高精度等特性，在微孔加工中具有独特的优势。TC4钛合金由于其比强度大、生物兼容性好等性能，被广泛应用于航空、医疗、电子、国防等领域。然而TC4钛合金，作为一种难加工材料，使得在微孔钻削过程中，钻头十分容易磨损和折断。钻削力是影响微小钻头磨损和折断的主要因素，也为加工参数的优化提供依据。因此，对TC4钛合金微孔加工钻削力进行研究具有十分重要的意义。
　　本文首先采用微元法建立预测TC4钛合金微孔加工钻削力的解析—数值模型；然后基于整体钻头建立预测TC4钛合金微孔加工钻削力的数值模型；最后搭建微孔钻削试验系统，对以上两种模型进行试验验证。主要内容如下：
　　1．建立一种适合求解TC4钛合金微孔加工钻削力的解析—数值模型。
　　（1）首先，对微钻头结构进行研究，比较与传统麻花钻结构的异同，探究微孔钻削原理，将微钻头简化成两个相连的内圆车刀，采用微元法将钻头的主切削刃和横刃分别离散成一系列斜角切削单元和直角切削单元，在离散过程中，各个切削单元具有不同的前角、后角、刃倾角、切削速度。
　　（2）然后，运用DEFORM软件分别对各个切削单元进行斜角切削仿真和直角切削仿真，模拟出各个切削单元的受力；在仿真模型建立过程中，为了考虑微孔钻削过程中的尺寸效应，应用应变梯度理论修正Johnson-Cook本构方程，建立一种适合微孔钻削的本构模型。
　　（3）最后，在钻头和切削单元分别建立整体坐标和子局部坐标，将各个切削单元的受力进行坐标转换与合成，得到钻头的受力。
　　（4）运用此模型模拟出不同切削参数条件下钻头的受力，探究转速、每齿进给量对钻头受力的影响。
　　2．基于整体钻头建立预测TC4钛合金微孔加工钻削力的数值模型。
　　（1）分别利用SOLIDWORKS和DEFORM对微钻头进行实体建模和参数化建模，比较两种模型的异同，选出一种能够相对准确反应实际钻头的几何模型。
　　（2）在钻削模拟仿真过程中，网格十分容易发生畸变，探究工件网格的划分以及控制网格畸变的参数设置，其它参数设置与第一种模型相同。
　　（3）模拟出不同切削参数条件下钻头的受力，探究转速、每齿进给量对钻头受力的影响。
　　（4）在相同切削参数条件下，对两种模型得出的仿真结果进行比较。
　　3．搭建微孔钻削试验系统，以轴向力、扭矩为试验指标，选择转速、每齿进给量、孔深为试验因素，对TC4钛合金进行微孔钻削试验。分析试验结果，得出各试验因素对轴向力、扭矩的影响；对试验结果做双因素方差分析，分析试验因素对轴向力、扭矩影响的显著性；通过以上分析，为TC4钛合金微孔钻削选择合适的工艺参数，使得该参数下轴向力与扭矩得到较好的契合。将两种仿真模型模拟出的结果分别与试验结果进行对比，验证两种仿真模型的有效性，同时分析仿真结果与试验结果存在误差的原因，比较两种仿真模型的优劣。通过多组工艺参数的仿真与试验，表明这两种模型能够比较精确地模拟出TC4钛合金微孔加工钻削力。

目录

声明

本文所用符号注释表

第一章 绪论

1.1课题背景

1.2课题研究目的及意义

1.3国内外研究发展现状

1.4主要研究内容

1.5本章小结

第二章 微孔钻削力模型

2.1引言

2.2微钻头结构及工作原理

2.3微钻头钻削力解析模型

2.4微钻头材料

2.5微切削特点

2.6本章小结

第三章 基于DEFORM有限元建模与分析

3.1引言

3.2有限元软件DEFORM介绍

3.3切削单元仿真建模

3.4有限元仿真结果与分析

3.5微钻头仿真建模

3.6仿真结果与分析

3.7本章小结

第四章 微孔钻削试验

4.1引言

4.2微孔钻削试验方案

4.3微孔钻削试验系统

4.4试验结果与分析

4.5试验验证

4.6本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文