TC4切削的数值模拟开题报告

PAGEPAGE5开题报告题目名称TC4切削的数值模拟题目来源A题目类型2导师姓名XXX学生姓名XXX班级学号XXX专业材料成型及控制工程一、TC4切削数值模拟的背景和意义钛合金作为21世纪社会发展最重要的金属之一，受到各国越来越高的重视。随着各国研发力度的加大，钛合金的应用也必将越来越广泛，其应用领域现在已经拓展到了军事、生物医学、汽车等众多领域，其应用程度成为一个国家工业装备先进程度的标志，体现一个国家制造业技术实力。目前，随着应用需求的不断扩大，钛合金的生产制造面临了更大的问题，虽然钛合金在各领域能够体现出优良的性能，能起到其他金属无法替代的作用，但钛合金在生产制造中所需要付出的高成本和一些技术难题仍然困扰着该行业。由于钛合金切削时具有切削温度高、摩擦力大、刀具磨损严重等许多不利的切削特性，使得钛合金加工相当困难，加工钛合金的速度比加工钢的速度约低一半，它的制造成本也比加工一般金属就高很多。因此，能否提高钛合金的加工效率，降低生产钛合金零件的成本，在一定程度上决定了钛合金能否在生产各领域中得到广泛的应用。高速切削加工被公认为制造业中最为重要的一项先进制造技术，它具有高效、优质、低耗等满足时代要求的优点。在常规切削加工中备受困扰的一系列问题，通过应用高速切削加工得到了解决，与传统切削加工相比，高速切削加工发生了本质性的飞跃，其单位功率的金属切除率可以提高30~40%，它的切削力反而降低了30%左右，刀具寿命甚至可以提高70%，由于快速切掉的切屑带走大量的热量，留存于工件的切削热大幅度降低，有效的实现高效率切除材料。由于种种切削优势，高速切削加工技术受到了整个制造业的青睐。由于钛合金是典型的难加工材料，目前它的切削加工速度普遍较低。一些发达国家的制造企业已开始使用数控超高速精密铣削技术加工钛合金零件，切削速度可以达到200~400m/min。国内的很多大型企业虽然配备了比较先进的数控设备，但加工效率仍然落后于发达国家，国内较先进的企业切削钛合金的切削速度基本保持在40~80m/min，而一般的企业仍然维持在20m/min左右。因此，提高钛合金的切削效率成了整个制造业共同的目标，高速切削加工技术在钛合金加工领域的应用顺理成章的成为学者的理想措施。切削加工过程中切削力、切削温度、切屑形成以及残余应力分布情况等切削机理之间相互影响，它们的综合效果对刀具寿命、被加工工件表面质量等起到决定性作用。所以在高速切削范围内，对钛合金的切削加工进行理论仿真，利用有限元软件，通过合理有效的有限元法对切削机理进行系统的研究，可以为实际加工中计算切削功率、设计与使用机床、刀具和夹具提供重要的依据，为优化切削参数、刀具结构、加工工艺，以延长刀具的加工寿命，提高工件的加工质量，有效提高钛合金加工效率，降低加工成本提供理论指导意义。二、国内外研究现状早在20世纪五六十年代，西方发达国家如英国、美国等就开始了钛合金加工的研究，进行了大量的关于钛合金切削力、切削温度、切屑形成以及刀具寿命等研究。Komanduri最早利用正交切削研究钛合金的切屑形成机理，同时提出了锯齿状切屑的突变剪切失稳理论。1951年，Lockheed公司就进行了钛合金铣削试验。Jawaid等进行了钛合金Ti6Al4V的刀具磨损试验，实验结果表明研磨的刀具和细晶粒刀具表现出较好的耐磨性。Hong和Markus等对液氮浇注方法进行了试验研究，在断屑台和刀具表面之间安装微型喷嘴，使液氮直接喷在了刀尖部位，既有效地延长了刀具耐用度，又避免了浪费。Iordanoff和Nou用离散元法对钛合金切削的刀具磨损进行了分析，研究表明离散元法对控制刀屑接触有很好的帮助。由于世界主要发达国家都有自己的切削数据库，所以对钛合金的切削加工的研究都比较系统。我国对钛合金的研究起始于1954年北京有色金属研究总院。50多年来，我国很多科研单位投入到钛合金的切削试验加以验证，建立了钛合金切削刀具选择模型。满忠雷、何宁等从绿色切削的理念出发，用硬质合金刀具进行了钛合金高速切削的单因素试验，得出了切削参数对切削力的影响规律；并比较分析了氮气油雾、空气油雾介质、干切削下切削力的变化特点。齐德新对切削钛合金BT20时的切削力、切屑形态、刀具磨损和破损形态及机理进行了研究，对刀具几何参数、刀具材料、切削参数进行了优化，在此基础上研制出适用该材料的新型端面切削刀具。杨蕾根据试验测量切削力曲线上一些特征点，用回归方法求解铣削力系数，建立了钛合金TC4切削力模型。冯志勇应用powen方法求解切削力系数，建立了非线性切削力模型。山东大学徐志平、孙杰掣等建立了基于钛合金Ti6A14V的二维正交切削有限元仿真模型，并在其基础上对切削过程进行了分析。山东大学陈建岭、李剑锋等建立了钛合金切削加工中考虑刃口犁耕效应的切削力学模型，建立了适合高速切削范围的切削力系数经验预测模型。杨勇等提出了主、副切削刃同时进行切削的有限元模型，在一定切削速度条件下对Ti6A14V进行了切削加工切削力的数值模拟研究，总结了一个周期内切削力的变化规律。陈建岭、李剑锋以温度测量试验为参照，利用有限元方法，建立切削仿真模型，对工件变形区和刀具的温度场进行了分析。陈建岭、李剑锋利用切削试验和X射线衍射应力测量方法，研究了切削参数对已加工表面残余应力的影响。总体来讲，国内对钛合金切削加工性的研究与欧美发达国家相比仍有不小的差距，各研究单位对钛合金切削加工研究主要集中在普通切削加工的理论和实验领域，近两年山东大学、江苏大学等逐渐尝试有限元法对钛合金加工进行仿真分析，并且取得了一定的成果，仿真分析主要基于二维模型，或者在普通切削加工中的切削仿真，它对切削加工过程中很好地解决加工质量、效率、刀具磨损等问题起到极其重要的作用。三、课题主要内容通过对钛合金的应用及其切削加工研究现状的分析，钛合金的高效切削是未来发展的主要趋势，也是钛合金广泛应用所需亟待解决的难题。为了对钛合金的高速切削机理进行系统全面的研究，本课题致力于建立起正确的切削仿真模型，对钛合金切削加工过程进行虚拟数值模拟，研究切削过程的切削状况。本文主要内容有以下几点：钛合金高速切削仿真模型的建立。有限元仿真模型主要有几何模型及其网格划分、材料的流动应力模型、切屑分离准则、材料的断裂准则等模型。本课题根据不同的研究对象，设定不同的切削仿真模型，能够较好的说明问题，得到较准确的仿真结果。TC4高速切削力的仿真分析。为了更好地研究钛合金高速切削过程中切削力的规律，本课题建立了二维仿真模型，在该基础上，对切削力进行了仿真并建立了其指数的数学模型，分析了切削速度、切削深度对切削力的影响规律。钛合金高速切削锯齿切屑形成机理分析。钛合金在切削加工过程中很容易形成锯齿切屑，这是它典型的切削特征。目前锯齿切屑形成原理仍然存在着分歧，主要有周期性裂纹扩展理论和绝热剪切理论。本课题对TC4锯齿切屑一个锯齿的形成过程进行了详细的跟踪仿真，并研究了切削参数对切屑锯齿形状的影响。四、毕业设计具体进度安排序号设计（论文）各阶段名称日期1收集相关资料，明确设计任务，完成开题报告12.26-2.202完成英文资料翻译，熟悉ABAQUS软件，建立几何模型2.20-3.263完成网格划分，完成仿真过程3.27-4.244评价仿真结果，改进模型及分析步骤4.25-5.85完善设计，撰写设计论文5.9-5.276交资料、准备并进行毕业答辩5.28-6.7五、参考文献[1]张春江．钛合金切削加工技术[M]．西安：西北工业大学出版社，1986．[2]张旭．高速切削技术及应用[M]．北京：机械工业出版社，2002.8．[3]吴引江，罗建军，段庆文．钛合金工业进展[J]．[4]陈五一，袁跃峰．钛合金切削加工技术研究进展[J]．航空制造技术，2010，(15)：26-30[5]张伯霖．高速切削技术及应用[M]．北京：机械工业出版社，2002.8[6]何宁．高速加工理论与应用[M]．北京：科学出版社，2010[7]Che—HaronCH．Toollifeandsurfaceintegrityinturningtitaniumalloy[J]．JournalofMaterialsProcessingTechnology，2001，118(1/3)：231-237．[8]GeYingfei，FuYucan，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．诠释现代车用钛合金的应用及前景[J]．铝加工，2008，(1)：41-43[13]沈保罗，冯可芹，高升吉．钛合金的应用和应力腐蚀[J]．四川化工与腐蚀控制，2000，(3)：43-45[14]杨蕾．钛合金车削的实验研究与有限元仿真[M]．苏州：苏州大学，2009，2-3[15]冯志勇，马光锋，张桂木．钛合金切削加工性综述[J]．煤矿机械，2002，(11)：3-4[16]徐志平、孙杰掣．切削速度对工件表面残余应力的有限元模拟.工具技术,2005,39(9):33-36[17]陈建岭、李剑锋．基于剪切带断裂特征的锯齿形切屑形成机理演化的研究[期刊论文]-工具技术2010(10)．[18]