钛合金铣削加工过程参量建模及刀具磨损状态预测

摘要

钛合金因其优良的综合性能在航空航天领域有着广泛的应用，被誉为一种使人类走向空间时代的战略金属材料。然而，由于具有导热系数低、弹性模量小和高温化学活性高等特点，钛合金又是一种典型的难加工材料。在切削过程中，容易产生很高的切削温度，导致刀具磨损加快、表面质量难以控制。同时，由于钛合金的结构件特点，大量的材料需要从整块坯料中去除，进一步增加了加工困难。硬质合金因其优良的性能而广泛应用于钛合金材料的加工。然而，硬质合金刀具的磨损是个突出的问题。严重的刀具磨损不仅对加工效率和质量有较大的影响，而且也关系到加工成本，且目前尚缺乏钛合金加工用刀具寿命预测的有效模型和方法。因此，研究钛合金加工用刀具的磨损模型，预测刀具磨损量，监测刀具磨损状态，已成为钛合金加工研究领域值得关注的课题。
　　本文采用航空用钛合金Ti6Al4V作为研究材料，研究硬质合金刀具切削钛合金Ti6Al4V过程中，在热力耦合作用下的磨损特征与规律。首先从理论和实验两方面对铣削Ti6Al4V时考虑刀具磨损影响的切削力进行了研究;基于切削力与切削温度的密切相关性，利用经典传热学理论提出了铣削钛合金Ti6Al4V时铣削温度的理论预测模型，并且借助半人工热电偶法测量采集了铣削过程中的铣削温度;考虑刀具在铣削过程中受到的热力耦合作用，揭示了基于温度效应的刀具失效机理，构建了硬质合金刀具磨损模型;最后利用有限元软件AdvantEdg的二次开发技术，进行了刀具磨损的预测研究。
　　切削力是反映切削过程本质的一个重要参量，切削力的大小将直接影响切削功率、切削热、刀具磨损和加工变形等，同时不断变化的刀具磨损也会导致切削力的变化，切削加工过程就是切削力与刀具磨损彼此相互激励、相互作用的过程。本文从理论和实验两方面对整体硬质合金立铣刀铣削钛合金Ti6Al4V时考虑刀具磨损影响的切削力进行了研究。首先基于经典剪切角理论以及Armarego经典斜角切削理论分别建立了直角、斜角切削力模型;考虑到刀具磨损的影响，建立了考虑刀具前、后刀面磨损的切削力模型;进而借助于整体刀具离散化建模思想构建了复杂结构整体立铣刀磨损状态下的三维切削力预测模型;最后通过钛合金Ti6Al4V铣削实验，对比分析了切削力的理论预测值与实验测量值，验证了切削力预测模型的准确性。
　　切削温度是反映切削过程本质的另一个重要参量，尤其对于铣削加工而言，其特殊的断续切削性使得铣削加工过程较普通车削加工过程更加复杂，加工环境更加恶劣，加工过程中产生的高温高压是刀具发生磨损的原因。本文基于经典传热学理论建立了考虑刀具磨损影响的斜角车削过程切削区温度场的传热模型，用热源法对剪切热源、刀/屑和刀/工摩擦热源的温度场进行了理论计算，得到三者共同作用下刀具、切屑以及工件的温度场预测模型;进而借助于离散化思想把建立的斜角车削温度场预测模型转化为铣削过程中考虑刀具磨损影响的温度场预测模型;最后在对钛合金Ti6Al4V-康铜非标准热电偶进行标定的基础上，利用半人工热电偶法测量采集了铣削温度，研究了加工参数对铣削温度的影响规律，并将切削温度预测模型计算结果与实验测量结果进行对比分析，验证了切削温度预测模型的可靠性。
　　铣削钛合金过程中，在切削力和切削热的耦合作用下，刀具很容易出现磨损。本文通过观察大量实验现象，分析了在热力耦合作用下硬质合金刀具的磨损形貌，阐述了硬质合金刀具磨损机理;基于磨损刀具的微观组织、化学成分以及物理性能变化的检测，讨论了元素扩散对硬质合金刀具物理性能的影响;利用Fick扩散定律对硬质合金刀具材料与钛合金Ti6Al4V之间的扩散现象进行理论分析与计算;基于以上工作，分析了温度效应对于硬质合金刀具磨损机理的影响，构建了基于温度效应的硬质合金刀具磨损模型;并且利用有限元软件AdvantEdge的二次开发技术把利用FORTRAN编制的刀具磨损子程序嵌入到有限元软件中;确定了钛合金Ti6Al4V材料本构关系模型、材料失效模型以及刀/屑摩擦模型;进而结合刀具寿命实验，通过对比分析仿真结果与实验结果，验证了硬质合金刀具磨损模型的有效性。

目录

声明

摘要

主要符号及其单位

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 钛合金及其结构件的加工现状

1．2．1 钛合金的难加工性

1．2．2 钛合金结构件的加工特点

1．2．3 钛合金结构件加工刀具研究现状

1．3 整体硬质合金立铣刀铣削钛合金研究现状

1．3．1 整体立铣刀三维切削力预测研究现状

1．3．2 整体立铣刀切削温度测量及预测研究现状

1．3．3 整体硬质合金立铣刀铣削钛合金磨损机理及磨损模型研究现状

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 有限元二次开发技术研究现状

1．4．3 有限元软件AdvantEdge简介

1．5 论文的提出、研究内容以及总体框架

1．5．1 论文的提出

1．5．2 论文主要研究内容

1．5．3 论文总体框架

第二章 考虑刀具磨损整体立铣刀三维切削力建模与实验研究

2．1 引言

2．2 考虑刀具磨损的直角与斜角切削力预测模型的构建

2．2．1 不考虑刀具磨损的直角切削力建模

2．2．2 不考虑刀具磨损的斜角切削力建模

2．2．3 考虑刀具磨损的直角与斜角切削力建模

2．3 考虑刀具磨损的整体立铣刀三维切削力预测模型的构建

2．3．1 斜角切削力预测模型向整体立铣刀三维切削力预测模型的转化

2．3．2 考虑刀具磨损的整体立铣刀三维铣削力预测模型的构建

2．4 整体立铣刀三维切削力的实验研究及模型验证

2．4．1 实验设计

2．4．2 切削力模型预测结果与实验结果对比分析

2．5 本章小结

第三章 整体立铣刀铣削温度建模与实验研究

3．1 引言

3．2 传热学基础

3．2．1 切削温度场

3．2．2 切削温度场求解方法

3．2．3 傅立叶导热定律

3．2．4 固体导热微分方程

3．3 热源法叠加求解温度场

3．3．1 瞬时点热源温度场

3．3．2 瞬时无限长线热源温度场

3．3．3 瞬时无限大面热源温度场

3．4 斜角车削温度场预测模型的构建

3．4．1 斜角车削热源的产生

3．4．2 斜角车削温度场预测模型的构建

3．5 整体立铣刀铣削温度场预测模型的构建

3．5．1 整体立铣刀铣削热源的产生

3．5．2 斜角车削温度场预测模型向整体立铣刀温度场模型的转化及构建

3．6 整体立铣刀铣削温度的实验研究及模型验证

3．6．1 半人工热电偶测温方法及其标定

3．6．2 整体立铣刀铣削温度测量实验设计与结果分析

3．6．3 铣削温度模型预测结果与实验结果对比分析

3．7 本章小结

第四章 硬质合金刀具磨损机理及磨损模型研究

4．1 引言

4．2 硬质合金刀具磨损形貌及磨损机理分析

4．2．1 硬质合金刀具磨损形貌研究

4．2．2 硬质合金刀具磨损机理研究

4．2．3 硬质合金刀具元素扩散对其物理性能的影响研究

4．3 硬质合金刀具切削钛合金元素扩散机理研究

4．3．1 Fick扩散定律

4．3．2 硬质合金刀具与钛合金扩散理论分析

4．3．3 硬质合金刀具扩散磨损率模型研究

4．4 基于温度效应的硬质合金刀具磨损模型的构建

4．5 本章小结

第五章 基于AdvantEdge二次开发刀具磨损有限元仿真研究

5．1 引言

5．2 基于Windows平台的AdvantEdge编程接口

5．2．1 文件配置

5．2．2 刀具磨损过程分析子程序的编制

5．3 铣削钛合金Ti6Al4V有限元仿真模型的确定

5．3．1 钛合金Ti6Al4V材料本构模型的确定

5．3．2 钛合金Ti6Al4V材料失效模型的确定

5．3．3 刀／屑摩擦模型的确定

5．3．4 二维简化铣削模型的建立

5．3．5 工件和刀具的建模及其位移边界条件的确定

5．4 仿真结果与实验结果对比分析

5．4．1 整体硬质合金立铣刀刀具寿命实验设计

5．4．2 钛合金锯齿状切屑的形成过程

5．4．3 切削力

5．4．4 切削温度

5．4．5 刀具磨损

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 研究展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及参加科研项目

致谢

已发表的英文论文