TC4切削的數(shù)值模擬開題報告

PAGEPAGE5開題報告題目名稱TC4切削的數(shù)值模擬題目來源A題目類型2導師姓名XXX學生姓名XXX班級學號XXX專業(yè)材料成型及控制工程一、TC4切削數(shù)值模擬的背景和意義鈦合金作為21世紀社會發(fā)展最重要的金屬之一，受到各國越來越高的重視。隨著各國研發(fā)力度的加大，鈦合金的應用也必將越來越廣泛，其應用領域現(xiàn)在已經(jīng)拓展到了軍事、生物醫(yī)學、汽車等眾多領域，其應用程度成為一個國家工業(yè)裝備先進程度的標志，體現(xiàn)一個國家制造業(yè)技術實力。目前，隨著應用需求的不斷擴大，鈦合金的生產(chǎn)制造面臨了更大的問題，雖然鈦合金在各領域能夠體現(xiàn)出優(yōu)良的性能，能起到其他金屬無法替代的作用，但鈦合金在生產(chǎn)制造中所需要付出的高成本和一些技術難題仍然困擾著該行業(yè)。由于鈦合金切削時具有切削溫度高、摩擦力大、刀具磨損嚴重等許多不利的切削特性，使得鈦合金加工相當困難，加工鈦合金的速度比加工鋼的速度約低一半，它的制造成本也比加工一般金屬就高很多。因此，能否提高鈦合金的加工效率，降低生產(chǎn)鈦合金零件的成本，在一定程度上決定了鈦合金能否在生產(chǎn)各領域中得到廣泛的應用。高速切削加工被公認為制造業(yè)中最為重要的一項先進制造技術，它具有高效、優(yōu)質(zhì)、低耗等滿足時代要求的優(yōu)點。在常規(guī)切削加工中備受困擾的一系列問題，通過應用高速切削加工得到了解決，與傳統(tǒng)切削加工相比，高速切削加工發(fā)生了本質(zhì)性的飛躍，其單位功率的金屬切除率可以提高30~40%，它的切削力反而降低了30%左右，刀具壽命甚至可以提高70%，由于快速切掉的切屑帶走大量的熱量，留存于工件的切削熱大幅度降低，有效的實現(xiàn)高效率切除材料。由于種種切削優(yōu)勢，高速切削加工技術受到了整個制造業(yè)的青睞。由于鈦合金是典型的難加工材料，目前它的切削加工速度普遍較低。一些發(fā)達國家的制造企業(yè)已開始使用數(shù)控超高速精密銑削技術加工鈦合金零件，切削速度可以達到200~400m/min。國內(nèi)的很多大型企業(yè)雖然配備了比較先進的數(shù)控設備，但加工效率仍然落后于發(fā)達國家，國內(nèi)較先進的企業(yè)切削鈦合金的切削速度基本保持在40~80m/min，而一般的企業(yè)仍然維持在20m/min左右。因此，提高鈦合金的切削效率成了整個制造業(yè)共同的目標，高速切削加工技術在鈦合金加工領域的應用順理成章的成為學者的理想措施。切削加工過程中切削力、切削溫度、切屑形成以及殘余應力分布情況等切削機理之間相互影響，它們的綜合效果對刀具壽命、被加工工件表面質(zhì)量等起到?jīng)Q定性作用。所以在高速切削范圍內(nèi)，對鈦合金的切削加工進行理論仿真，利用有限元軟件，通過合理有效的有限元法對切削機理進行系統(tǒng)的研究，可以為實際加工中計算切削功率、設計與使用機床、刀具和夾具提供重要的依據(jù)，為優(yōu)化切削參數(shù)、刀具結構、加工工藝，以延長刀具的加工壽命，提高工件的加工質(zhì)量，有效提高鈦合金加工效率，降低加工成本提供理論指導意義。二、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀早在20世紀五六十年代，西方發(fā)達國家如英國、美國等就開始了鈦合金加工的研究，進行了大量的關于鈦合金切削力、切削溫度、切屑形成以及刀具壽命等研究。Komanduri最早利用正交切削研究鈦合金的切屑形成機理，同時提出了鋸齒狀切屑的突變剪切失穩(wěn)理論。1951年，Lockheed公司就進行了鈦合金銑削試驗。Jawaid等進行了鈦合金Ti6Al4V的刀具磨損試驗，實驗結果表明研磨的刀具和細晶粒刀具表現(xiàn)出較好的耐磨性。Hong和Markus等對液氮澆注方法進行了試驗研究，在斷屑臺和刀具表面之間安裝微型噴嘴，使液氮直接噴在了刀尖部位，既有效地延長了刀具耐用度，又避免了浪費。Iordanoff和Nou用離散元法對鈦合金切削的刀具磨損進行了分析，研究表明離散元法對控制刀屑接觸有很好的幫助。由于世界主要發(fā)達國家都有自己的切削數(shù)據(jù)庫，所以對鈦合金的切削加工的研究都比較系統(tǒng)。我國對鈦合金的研究起始于1954年北京有色金屬研究總院。50多年來，我國很多科研單位投入到鈦合金的切削試驗加以驗證，建立了鈦合金切削刀具選擇模型。滿忠雷、何寧等從綠色切削的理念出發(fā)，用硬質(zhì)合金刀具進行了鈦合金高速切削的單因素試驗，得出了切削參數(shù)對切削力的影響規(guī)律；并比較分析了氮氣油霧、空氣油霧介質(zhì)、干切削下切削力的變化特點。齊德新對切削鈦合金B(yǎng)T20時的切削力、切屑形態(tài)、刀具磨損和破損形態(tài)及機理進行了研究，對刀具幾何參數(shù)、刀具材料、切削參數(shù)進行了優(yōu)化，在此基礎上研制出適用該材料的新型端面切削刀具。楊蕾根據(jù)試驗測量切削力曲線上一些特征點，用回歸方法求解銑削力系數(shù)，建立了鈦合金TC4切削力模型。馮志勇應用powen方法求解切削力系數(shù)，建立了非線性切削力模型。山東大學徐志平、孫杰掣等建立了基于鈦合金Ti6A14V的二維正交切削有限元仿真模型，并在其基礎上對切削過程進行了分析。山東大學陳建嶺、李劍鋒等建立了鈦合金切削加工中考慮刃口犁耕效應的切削力學模型，建立了適合高速切削范圍的切削力系數(shù)經(jīng)驗預測模型。楊勇等提出了主、副切削刃同時進行切削的有限元模型，在一定切削速度條件下對Ti6A14V進行了切削加工切削力的數(shù)值模擬研究，總結了一個周期內(nèi)切削力的變化規(guī)律。陳建嶺、李劍鋒以溫度測量試驗為參照，利用有限元方法，建立切削仿真模型，對工件變形區(qū)和刀具的溫度場進行了分析。陳建嶺、李劍鋒利用切削試驗和X射線衍射應力測量方法，研究了切削參數(shù)對已加工表面殘余應力的影響?？傮w來講，國內(nèi)對鈦合金切削加工性的研究與歐美發(fā)達國家相比仍有不小的差距，各研究單位對鈦合金切削加工研究主要集中在普通切削加工的理論和實驗領域，近兩年山東大學、江蘇大學等逐漸嘗試有限元法對鈦合金加工進行仿真分析，并且取得了一定的成果，仿真分析主要基于二維模型，或者在普通切削加工中的切削仿真，它對切削加工過程中很好地解決加工質(zhì)量、效率、刀具磨損等問題起到極其重要的作用。三、課題主要內(nèi)容通過對鈦合金的應用及其切削加工研究現(xiàn)狀的分析，鈦合金的高效切削是未來發(fā)展的主要趨勢，也是鈦合金廣泛應用所需亟待解決的難題。為了對鈦合金的高速切削機理進行系統(tǒng)全面的研究，本課題致力于建立起正確的切削仿真模型，對鈦合金切削加工過程進行虛擬數(shù)值模擬，研究切削過程的切削狀況。本文主要內(nèi)容有以下幾點：鈦合金高速切削仿真模型的建立。有限元仿真模型主要有幾何模型及其網(wǎng)格劃分、材料的流動應力模型、切屑分離準則、材料的斷裂準則等模型。本課題根據(jù)不同的研究對象，設定不同的切削仿真模型，能夠較好的說明問題，得到較準確的仿真結果。TC4高速切削力的仿真分析。為了更好地研究鈦合金高速切削過程中切削力的規(guī)律，本課題建立了二維仿真模型，在該基礎上，對切削力進行了仿真并建立了其指數(shù)的數(shù)學模型，分析了切削速度、切削深度對切削力的影響規(guī)律。鈦合金高速切削鋸齒切屑形成機理分析。鈦合金在切削加工過程中很容易形成鋸齒切屑，這是它典型的切削特征。目前鋸齒切屑形成原理仍然存在著分歧，主要有周期性裂紋擴展理論和絕熱剪切理論。本課題對TC4鋸齒切屑一個鋸齒的形成過程進行了詳細的跟蹤仿真，并研究了切削參數(shù)對切屑鋸齒形狀的影響。四、畢業(yè)設計具體進度安排序號設計（論文）各階段名稱日期1收集相關資料，明確設計任務，完成開題報告12.26-2.202完成英文資料翻譯，熟悉ABAQUS軟件，建立幾何模型2.20-3.263完成網(wǎng)格劃分，完成仿真過程3.27-4.244評價仿真結果，改進模型及分析步驟4.25-5.85完善設計，撰寫設計論文5.9-5.276交資料、準備并進行畢業(yè)答辯5.28-6.7五、參考文獻[1]張春江．鈦合金切削加工技術[M]．西安：西北工業(yè)大學出版社，1986．[2]張旭．高速切削技術及應用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2002.8．[3]吳引江，羅建軍，段慶文．鈦合金工業(yè)進展[J]．[4]陳五一，袁躍峰．鈦合金切削加工技術研究進展[J]．航空制造技術，2010，(15)：26-30[5]張伯霖．高速切削技術及應用[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2002.8[6]何寧．高速加工理論與應用[M]．北京：科學出版社，2010[7]Che—HaronCH．Toollifeandsurfaceintegrityinturningtitaniumalloy[J]．JournalofMaterialsProcessingTechnology，2001，118(1/3)：231-237．[8]GeYingfei，F(xiàn)uYucan，XuJiuhua．Experimentalstudyonhighspeedmillingof7-TiAIalloy[J]．KeyEngineeringMaterials，2007，339：6-10[9]JawaidA．TheeffectofmachiningonsurfaceintegrityoftitaniumalloyTi-6%Al一4%V[J]．JournalofMaterialsProcessingTechnology，2005，166(2)：188-192[10]MantleAL，AspinwallDK．Surfaceintegrityofahighspeedmilledgammatitaniumcaluminide[J]．JournalofMaterialsProcessingTechnology，2004，118(1/3)：143—150.[11]AnalysisofRollingContact.JournalofTribology.1994,116:577-585[12]肖永清．詮釋現(xiàn)代車用鈦合金的應用及前景[J]．鋁加工，2008，(1)：41-43[13]沈保羅，馮可芹，高升吉．鈦合金的應用和應力腐蝕[J]．四川化工與腐蝕控制，2000，(3)：43-45[14]楊蕾．鈦合金車削的實驗研究與有限元仿真[M]．蘇州：蘇州大學，2009，2-3[15]馮志勇，馬光鋒，張桂木．鈦合金切削加工性綜述[J]．煤礦機械，2002，(11)：3-4[16]徐志平、孫杰掣．切削速度對工件表面殘余應力的有限元模擬.工具技術,2005,39(9):33-36[17]陳建嶺、李劍鋒．基于剪切帶斷裂特征的鋸齒形切屑形成機理演化的研究[期刊論文]-工具技術2010(10)．[18]