钛合金车削加工刀具磨损建模技术研究及预测分析

摘要

钛合金因其优异的物理和机械性能而受到越来越高的重视，被广泛的应用于航空航天工业，用来制造飞机发动机、机体和各种高速结构件，被称为高性能战略金属材料。然而，由于其弹性模量小、导热系数低和化学活性高等特点，使其成为一种典型的难加工材料。在其切削加工过程中，切削区域会产生很高的切削温度，导致加工效率低、刀具磨损快。硬质合金刀具因其优良的性能而被广泛应用于钛合金加工。然而，硬质合金刀具的磨损是个突出的问题。严重的刀具磨损对加工效率和质量有较大的影响，而目前尚缺乏钛合金加工刀具寿命预测的有效模型和方法。因此，建立一个能准确预测刀具磨损量、监测刀具磨损状态的模型已成为钛合金加工研究领域值得关注的课题。 本文以硬质合金刀具车削钛合金TC4为例，研究切削过程中刀具在热力耦合作用下的磨损特征和规律。从理论上分析了切削过程中的切削原理和切屑成形规律，研究了刀具的磨损形式、磨损过程和磨损机理。分别构建了单个磨损机理作用下和综合考虑磨粒、粘结和扩散磨损机理作用下的硬质合金刀具磨损模型，揭示了基于温度效应的刀具失效机理。在此基础上，利用有限元软件ABAQUS的二次开发技术进行了刀具磨损的预测研究，分析了切削用量参数对切削温度、切削力和刀具磨损的影响规律，以及研究了刀具磨损对切削过程的影响。结果表明，切削速度越大，刀具磨损越快，并且在切削用量参数中切削速度对切削温度的影响最大，而背吃刀量对切削力的影响最大，且随着刀具磨损的增大，切削力、切削温度及工件表面残余应力也会随着增大。 用硬质合金刀具进行钛合金车削试验，观察分析了刀具前刀面的磨损情况，结果表明，仿真结果与试验结果基本吻和，说明所建的刀具磨损模型可以用来进行刀具磨损量和磨损状态的预测。

目录

声明

1 绪论

1.1 钛合金的材料特性和加工特性

1.1.1 钛合金TC4的材料性能

1.1.2 钛合金TC4的切削加工特点

1.2 钛合金加工刀具研究现状

1.3 硬质合金刀具磨损机理及磨损模型研究现状

（1）硬质合金刀具磨损机理研究现状

（2）刀具寿命预测方法研究

（3）刀具磨损模型研究现状

1.4 切削加工过程有限元模拟技术的研究现状

1.4.1 有限元技术在金属切削加工中的应用

1.4.2 有限元软件ABAQUS简介

1.5 论文的提出、研究内容及总体框架

1.5.1 论文的提出

1.5.2 论文的研究内容及总体框架

2 硬质合金刀具磨损机理及磨损数学模型的建立

2.1 切削原理及切屑成形

2.2 刀具磨损形式

a. 前刀面磨损

b. 后刀面磨损

2.3 刀具磨损过程

a. 初期磨损

b. 正常磨损

c. 剧烈磨损

2.4 刀具磨损机理分析

a. 磨粒磨损

b. 粘结磨损

c. 扩散磨损

2.5 硬质合金刀具磨损数学模型的建立

（1）磨粒磨损率计算

（2）粘结磨损率计算

（3）扩散磨损率计算

2.6 本章小结

3 刀具磨损有限元仿真模型建立及验证

3.1 切削过程有限元仿真方法

3.2 有限元仿真关键技术

3.2.1 材料本构模型

3.2.2 刀-屑间的摩擦模型

3.2.3 材料断裂准则

3.3 ABAQUS软件的二次开发

3.3.1 ABAQUS软件二次开发语言介绍

3.3.2 基于Python的ABAQUS二次开发原理

3.4 刀具磨损计算子程序设计

3.4.1 接触应力

3.4.2 刀具温度

3.4.3 刀具滑动速度

3.4.4 刀具形貌更新

3.5 刀具磨损二维切削仿真模型建立

3.5.1 仿真模型建立

3.5.2 刀具磨损仿真结果分析

3.6 实验设计及磨损仿真结果验证

3.6.1 试验条件及试验方法

3.6.2 实验结果与仿真结果对比分析

3.7 本章小结

4 切削用量参数及刀具磨损对切削过程的影响

4.1 切削用量对切削力和切削温度的影响

4.1.1 切削用量对切削力的影响

4.1.2 切削用量对切削温度的影响

4.2 刀具磨损对切削过程的影响

4.2.1 刀具磨损对切削温度的影响

4.2.2 刀具磨损对切削力的影响

4.2.3 刀具磨损对刀具应力的影响

4.2.4 刀具磨损对工件已加工表面残余应力的影响

4.3 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献