高速车削难加工材料的有限元仿真

摘要

镍基高温合金、钛合金凭借其良好的物理力学性能得到广泛的应用，但它们都是典型的难加工材料，高速切削技术由于具有诸多优点而成为解决难加工材料不易加工这一难题的可能途径之一，因此对这些材料的高速切削加工性能进行研究具有重要意义。在切削加工领域，采用有限元软件来模拟切削过程是一种有效可行的方法。
　　本文研究了材料模型，自适应网格划分技术，切屑分离准则，摩擦模型和刀具磨损模型等五种高速切削难加工材料有限元仿真的关键技术；阐述了商业有限元软件DEFORM-3D和AdvantEdgeFEM的车削加工仿真过程；应用DEFORM-3D软件对镍基高温合金Incone1718进行了三维高速车削有限元仿真，研究了温度场、切屑形成过程和应力场，制定了切削力的三因素四水平正交实验，来研究切削用量对切削力的影响，得到了拟合度较好的三向切削力的经验公式；应用AdvantEdgeFEM软件对钛合金Ti-6Al-4V、Ti-5Al-2.5SnELI和Ti-10V-2Fe-3Al进行了三维高速车削有限元仿真，制定了六因素五水平的正交实验方案，选定刀-屑接触区温度、刀具最高温度、主切削力、切深抗力、进给力和切削合力共六个指标，来研究六因素在不同水平下对各指标的影响，得到了Ti-6Al-4V六因素对各指标影响的主次顺序和不同指标下的最佳方案，并得到了拟合度较好的三种钛合金的切削温度和切削合力的经验公式；通过实验探索了Salomon假说的真实性，在切削速度为60m/min~350m/min的研究范围内，Inconel718和三种钛合金刀-屑接触区切削温度的变化规律均不符合Salomon假说；而工件已加工表面切削温度的变化规律均符合Salomon假说，临界切削速度在80m/min附近；三向切削力的变化规律，Inconel718和Ti-6Al-4V符合Salomon假说，临界切削速度仍在80m/min附近，但是Ti-5Al-2.5SnELI和Ti-10V-2Fe-3Al不符合Salomon假说，Salomon假说仍有待证实。
　　本文所做研究将为优化镍基高温合金和钛合金切削参数提供有益的参考数据，指导高速切削难加工材料切削用量和刀具几何参数的合理选择，从而提高难加工材料的生产率和加工质量，并降低成本，不断开发出新产品。

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第一章 绪论

1.1 课题研究的背景与意义

1.2 镍基高温合金、钛合金的切削加工特点

1.3 切削加工有限元仿真技术国内外研究现状及发展趋势

1.4 本文的主要研究内容

第二章 高速切削难加工材料有限元仿真的关键技术

2.1 材料模型

2.2 自适应网格划分技术

2.3 切屑分离准则

2.4 摩擦模型

2.5 刀具磨损模型

2.6 本章小结

第三章 有限元软件的车削加工仿真过程

3.1 有限元分析方法的基本思想

3.2 ALE数值模拟方法

3.3 DEFORM-3D的车削加工仿真过程

3.4 AdvantEdge FEM的车削加工仿真过程

3.5 本章小结

第四章 基于DEFORM-3D的镍基合金高速车削有限元仿真

4.1 镍基合金Incone1718的化学成分和物理力学性能

4.2 基于DEFORM-3D的有限元分析模型

4.3 温度场分析

4.4 切屑形成过程分析

4.5 应力场分析

4.6 切削力研究的正交实验4.6.1 切削力正交实验方案

4.7 Salomon假说的实验验证

4.8 本章小结

第五章 基于AdvantEdge FEM的钛合金高速车削有限元仿真

5.1 钛合金Ti-6Al-4V的化学成分和物理力学性能

5.2基于AdvantEdge FEM的有限元分析模型

5.3 钛合金高速车削正交实验5.3.1 正交实验方案

5.4 Salomon假说的实验验证

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 论文主要工作总结

6.2 工作展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文

致谢