1、洛阳理工学院毕业设计（论文）I车削加工钛合金过程的有限元模拟摘 要改革开放以来，由于生产技术的不断提高，各种材料得到了充分利用，特别是钛合金的开发利用，正越来越多的应用在生产生活的各个方面。但由于其特殊的材料性能使其加工效率比较低下，加工成本较大。因此研究钛合金的切削性能，提高加工效率具有重要的意义。本文对钛合金的切削性能进行了研究。金属切削过程是一个十分复杂的过程，切削工艺主要是通过刀具在材料表面切除多余的材料层来获得理想的工件形状、尺寸以及表面光洁度的机械加工方法。切削过程的建模和仿真在改进切削刀具的设计和优化切削参数方面有很大的发展潜力。有限元法逐渐成为切削过程的研究和仿真的一种有效手段
2、。本文的目的之一就是建立一个切削过程仿真的有限元模型，预报切削力和切削温度。在预先收集工件流动应力数据和在高应变率和高温下的摩擦系数的基础上，利用有限元软件 DEFORM-3D 仿真切削过程。分析了切削过程中切削温度的变化规律。关键词：车削，钛合金，有限元，DEFROM-3D洛阳理工学院毕业设计（论文）IIFinite Element Simulation of Turning Titanium Alloy ProcessABSTRACTSince the reform and opening, due to production technology unceasing enhancemen
3、t, All kinds of materials especially the most use of exploitation and utilization of titanium alloy, got fully used, and is increasingly being used in the production of all aspects of lifeHowever，because of its unique material properties，we can not get better processing efficiency and lower processi
4、ng costs. Therefore，its of great significance to study machinability of titanium alloys for improve the processing efficiencyIn this paper, the cutting performance of the titanium have been researching. Metal-cutting process is a very complex process. Turning operations are performed to modify shape
5、, dimension, and surface roughness of a workpiece cutting away from it several layers of material.Modeling and simulation of cutting processes have the potential for improving tool designs and selecting optimum conditionsFinite element method is becoming one of method to research and simulate the cu
6、ring processesThe one objective of this study was to develop a FEM model for simulating the cutting process in turning and predict curing forces and temperatures using finite element analysisOn the basis of pre-data collection of the workpiece flow stress and high strain rate and high temperature fr
7、iction coefficient, Simulation of cutting process is set up by using of finite element software DEFORM-3D. Analyze the cutting temperature changes of the cutting process.KEY WORDS: Turning , Titanium Alloy, Finite element, DEFROM-3D洛阳理工学院毕业设计（论文）III目 录前 言 .1第 1 章 钛合金的性能及应用 .41.1 钛合金的化学性能 .41.2 钛合金的切
8、削特点 .61.3 钛合金的应用现状 .7第 2 章 车削钛合金实验结果分析 .92.1 实验相关材料 .92.1.1 工件材料 .92.1.2 刀具材料 .92.2 实验方案 .92.3 实验结果及分析 .102.3.1 实验结果 112.3.2 结果分析 .12第 3 章 钛合金车削有限元仿真 .153.1 有限元分析方法过程 .153.2 有限元软件 DEFORM-3D 介绍 .153.3 DEFORM-3D 中应用加工向导模块进行车削仿真的基本步骤 173.4 DEFORM-3D 中切削加工过程有限元模型建立的主要注意点 183.4.1 网格划分的设置 .183.4.2 切屑的分离标准
9、设定 .193.4.3 材料模型的建立 .203.4.4 速度边界条件的确定 .203.4.5 时间步长的确定 .20第 4 章 仿真分析 .224.1 概述 .224.2 不同切削条件下的切削力仿真 .224.3 不同切削条件下的切削温度仿真 .254.4 切削力的仿真结果与实验结果的对比 27洛阳理工学院毕业设计（论文）IV第 5 章 车床主轴箱及夹具设计 .295.1 车床主轴箱的设计 .295.1.1 确定极限转速 295.1.2 确定公比 295.1.3 求出主轴转速级数 295.1.4 确定结构网和结构式 295.1.5 绘制转速图 315.1.6 确定公比齿轮齿数的确定 335.
10、1.7 传动系统图的拟定 345.2 夹具设计 .355.2.1 零件分析 .355.2.2 定位基准的选择 .365.2.3 切削力和夹紧力的计算 365.2.4 定位误差分析 37结 论 .38谢 辞 .39参考文献 .40外文资料翻译 .42洛阳理工学院毕业设计（论文）1前 言一、钛合金切削研究现状钛是 20 世纪 50 年代发展起来的一种重要的结构金属，钛合金因具有比强度高、耐蚀性好、耐热性高等特点而被广泛用于各个领域。世界上许多国家如美国、日本、俄罗斯以及中国等都认识到钛合金材料的重要性，并相继对其进行了研究开发，并广泛应用于生产、生活中。早在上世纪五六十年代，美国、英国、日本以及前
11、苏联就围绕钛合金加工刀具寿命、切削力、表面完整性、切屑形成和切削温度等开展了大量的研究工作。目前国内外不少学者对钛合金的切削加工进行了更加深入细致的研究。在切削刀具方面国内目前主要使用钨钻类硬质合金刀具来切削加工钛合金。常用的有 YG8、YG3、YG6X、YG6A、YS2T、YD15 、YA6 等。通常在粗车和断续车削时采用 YG8 刀片，精车和连续车削时用 YG3 刀片，一般加工则用YG6X 刀片。实践证明，含钽的硬质合金 YG6A(属于细颗粒钨钻类硬质合金)，由于加入了少量的稀有元素，提高了刀片耐磨性，代替了原有的 YG6X，其抗弯强度、硬度也都比 YG6X 高。在低速切削或切削复杂型面时
12、，可采用高钒高速钢和高钻高速钢刀具，它们是加工钛合金较好的刀具材料。对于钻头、立铣刀、铰刀等形状复杂制造困难的刀具常使用牌号为 W2Mo9Cr4VCo8、W12Cr4V4Mo 等高性能高速钢刀具来低速切削钛合金。对切削温度场的科学研究有理论研究和试验研究两个方面。用理论解析法求热传导问题的优点是可以表示温度分布的函数关系，并且科学分析影响因素。但是对复杂的几何形状，复杂的边界条件，解析法的应用就显得很困难，常常不得不做出一些简化，这就会带来一定误差，于是出现了数值解法。在热传导方面应用较多的数值解法是有限差分法和有限单元法。而试验研究一直在金属切削温度研究中占主导地位。二、研究方法：有限元分析
13、50 年代中期至 60 年代末，有限元法出现并迅猛发展，由于当时理论尚处于初级阶段，计算机的硬件及软件也无法满足需求，有限元法和有限元程序无法在工程上普及。到 60 年代末 70 年代初出现了大型通用有限元程序，它们以功能强、洛阳理工学院毕业设计（论文）2用户使用方便、计算结果可靠和效率高而逐渐形成新的技术商品，成为结构工程强有力的分析工具。目前，有限元法在现代结构力学、热力学、流体力学和电磁学等许多领域都发挥着重要作用。当前，在我国工程界比较流行，被广泛使用的大型有限元分析软件有 MSCNastran 、Ansys、Deform、Marc 、Adina 和 Algor等。有限元法是建立在固体
14、变分原理基础之上的，用有限元进行分析时，首先将被分析物体离散成为许多小单元，其次给定边界条件、载荷和材料特性，再者求解线性或非线性方程组，得到位移、应力、应变、内力等结果，最后在计算机上，使用图形技术显示计算结果。目前的商用有限元程序不但分析功能几乎覆盖了所有的工程领域，其程序使用也非常方便，只要有一定工程背景基础的工程师都可以在不长的时间内分析实际工程项目，这就是它能被迅速推广的主要原因之一。20 世纪 40 年代，由于航空事业的飞速发展，对飞机结构提出了愈来愈高的要求，即重量轻，强度高，刚度好，人们不得不进行精确的设计和计算。同时由于计算机技术的飞速发展使得利用数值模拟方法来研究切削加工过
15、程以及各种参数之间的关系成为可能。三、本文研究的主要意义钛合金由于独有的材料特性，其应用逐渐从航空和军事领域向汽车和民用领域扩展。由于其强度高、导热性差给切削刀具带来了严重的磨损，这使得其加工效率很低，加工成本很高。因此，研究钛合金切削过程中切削力、表面粗糙度、切削温度、刀具磨损和切屑形态控制等切削机理的变化对提高钛合金加工效率，降低加工成本具有重要的意义。目前，钛合金切削的研究越来越多的集中在高速切削等特殊加工方法上。但是随着钛合金应用的普及，普通车床仍然是加工钛合金的主要设备。因此本课题选择在普通车床上进行钛合金的车型性能研究，具有更重要的现实意义。另外，本课题选择的 DEFORM-3D
16、软件进行有限元仿真分析。在最近的国际范围复杂零件成形模拟招标演算中，DEFORM-3D 的计算精度和结身可靠性，被国际成形模拟领域公认为第一。因此，它的分析结果要比其他的通用有限元分析软件更具有可信性。四、本文研究的主要内容车削过程是一个多输入输出的过程，每个加工参数的改变都会引起输出量的变化。本文选出对切削加工过程中影响比较大的几个参数切削深度 、进给量 f洛阳理工学院毕业设计（论文）3以及切削速度 v 进行研究。同时钛合金加工难易的程度是由切削力和温度的大小、刀具的磨损、表面粗糙度和切屑排出难易程度来衡量。因此选择这几个参考指标进行研究。另外，本课题在其它研究的基础上选择 Ti-6Al-4
17、V(TC4)钛合金的棒料为切削对象，其主要内容为：（1）对钛合金的切削过程进行研究，分析各加工参数对切削力影响关系，研究其形成的原因（由于实验条件的限制，本文将已经做出的实验结果作为已知条件） 。（2）建立车削过程的几何有限元模型和材料的有限元模型，选取对车削过程影响大的几个切削参数(切削深度、进给量、切削速度)作为研究对象，进行多次数值模拟，考察以上参数对切削力和切削温度的影响。（3）对实验结果与仿真结果进行对比，验证有限元分析的可行性。（4）针对车削钛合金设计专门的车床，对加工外罩车零件某一工位设计出专用夹具。洛阳理工学院毕业设计（论文）4第 1 章 钛合金的性能及应用1.1 钛合金的化学
18、性能钛是银白色金属，密度约为 45g/ ，熔点为 1668,钛有两种同素异构3体，密排六方晶格的 钛和体心立方晶格的 钛。钛的质量轻、强度高、耐热性好，同时它的化学活性高，易与空气中的氮、氧、氢化合。钛及钛合金具有耐腐蚀、比强度高等突出优点而被称作“太空金属”或“海洋金属” ，目前的金属工业产量上，铁达到 7 亿吨，铝约 l 万吨，铜和不锈钢各为1000 万吨，钛产量却不足 1 万吨，所以说钛是一种尚未成熟的年轻金属，它很有希望成为继铁、铝之后的第三种实用金属，开发利用前景十分广阔。我国钛资源非常丰富，Ti 总储量达 9 亿吨，储量世界第一，中国必将成为钛金属的世界生2产大国。钛又是同素异构体
19、，在低于 882时呈密排六方晶格结构，称 钛；当高于882 时呈体体心立方晶格结构，称为 钛。通过向钛中添加适当的合金元素，使其相变温度及相分含量逐渐改变而得到不同组织的钛合金。室温下，钛合金有 3种基体组织，钛合金也就分为以下 3 类：(1) 相钛合金 (用 TA 表示 )它是 相固溶体组成的单相合金，不论是在一般温度下还是在较高的实际应用温度下，均是 相，组织稳定，耐磨性高于纯钛，抗氧化能力强。在500 600的温度下，仍保持其强度和抗蠕变性能，但不能进行热处理强化，室温强度不高。(2) 相钛合金 (用 TB 表示 )它是相固溶体组成的单相合金，未热处理即具有较高的强度，淬火、时效后合金得
20、到进一步强化，室温强度可达 13721666MPa，但热稳定性较差，不宜在高温下使用。(3) + 相钛合金 (用 TC 表示)它是双相合金，具有良好的综合性能，组织稳定性好，有良好的韧性、塑性和高温变形性能，能较好地进行热压力加工，能进行淬火、时效使合金强化。热洛阳理工学院毕业设计（论文）5处理后的强度约比退火状态提高 50%100%。高温强度高，可在 400500的温度下长期工作，其热稳定性次于 钛合金。三种钛合金中最常用的是 + 相钛合金，而其中又以 Ti-6AI-4V 应用最为普遍，几乎占当今钛合金使用总量的一半以上。就切削加工性而言， 相钛合金的切削加工性最好，+ 相钛合金次之， 相钛
21、合金最差。钛合金所具有许多优良特性，主要表现在：(1)热强度高钛合金热稳定性好、高温强度高。在 300“C500 的温度下，其强度约比铝合金高 10 倍，这也是目前飞机上大量使用钛合金代替铝合金的重要原因之一。(2)比强度高钛合金的密度一般在 左右，仅为钢的 60%。钛合金的强度近于普通4.5/3钢的强度，一些高强度钛合金超过了许多合金结构钢的强度。因此钛合金的比强度(强度 /密度) 远大于其他金属结构材料，因此可制出单位强度高、刚性好、质量轻的零部件。(3)抗腐蚀性好钛合金在潮湿的大气和海水介质中工作，其抗蚀性远优于不锈钢；对点蚀、酸蚀、应力腐蚀的抵抗力特别强：对碱、氯化物、氯的有机物品、硝
22、酸、硫酸等有优良的抗腐蚀能力。但钛对具有还原性氧及铬盐介质的抗蚀性差。(4)低温性能好钛合金在低温和超低温下，仍能很好地保持其力学性能，有些钛合金在低温下强度更高。因此，钛合金也是一种重要的低温结构材料。(5)化学活性大钛合金高温化学活性大，易与大气中 、 、 和水蒸气等产生强烈的化学2 2 2反应生成氧化钛、氮化钛等物质。钛合金开始强烈吸收氢、氧和氮的温度分别为300、500、600。钛的化学亲和性也很大，易与摩擦表面产生粘附现象。钛合金材料还具有其他一些特性，如：导热性差，其导热系数约为 Ni 的1/4，Fe 的 1/5，Al 的 1/14，在切削过程中会致使刀具切削刃的温度大幅上升，刀具
23、磨损加快，使用寿命缩短；弹性模量小，其弹性模量为 1078GPa ，约为钢的1/2，在切削过程中，由于切削力的作用，会使钛合金发生变形，刀具后面与发生回弹的已加工表面产生剧烈摩擦，产生很高的温度。这些特性使钛合金成为一种洛阳理工学院毕业设计（论文）6难加工材料。1.2 钛合金的切削特点钛合金的硬度大于 HB350 时切削加工特别困难，小于 HB300 时则容易出现粘刀现象，也难于切削。但钛合金的硬度只是难于切削加工的一个方面，关键在于钛合金本身化学、物理、力学性能间的综合作用对其切削加工性的影响。钛合金有如下切削特点：(1)变形系数小：这是钛合金切削加工的显著特点，变形系数小于或接近于1。切屑
24、在前刀面上滑动摩擦的路程大大加大，加速刀具磨损。(2)切削温度高：由于钛合金的导热系数很小（只相当于 45 号钢的1/51/7）,切屑与前刀面的接触长度极短，切削时产生的热不易传出，集中在切削区和切削刃附近的较小范围内，切削温度很高。在相同的切削条件下，切削温度可比 45 号钢时高出一倍以上。(3)单位面积上的切削力大：主切削力比切钢时约小 20，由于切屑与前刀面的接触长度极短，单位接触面积上的切削力大大增加，容易造成崩刃。同时，由于钛合金的弹性模量小，加工时在径向力作用下容易产生弯曲变形，引起振动，加大刀具磨损并影响零件的精度。因此，要求工艺系统应具有较好的刚性。(4)冷硬现象严重：由于钛的
25、化学活性大，在高的切削温度下，很容易吸收空气中的氧和氮形成硬而脆的外皮；同时切削过程中的塑性变形也会造成表面硬化。冷硬现象不仅会降低零件的疲劳强度，而且能加剧刀具磨损，是切削钛合金时的一个很重要特点。(5)刀具易磨损：毛坯经过冲压、锻造、热轧等方法加工后，形成硬而脆的不均匀外皮，极易造成崩刃现象，使得切除硬皮成为钛合金加工中最困难的工序。另外，由于钛合金对刀具材料的化学亲和性强，在切削温度高和单位面积上切削力大的条件下，刀具很容易产生粘结磨损。车削钛合金时，有时前刀面的磨损甚至比后刀面更为严重。进给量 f0.2mm/r 时，前刀面将出现磨损。洛阳理工学院毕业设计（论文）71.3 钛合金的应用现
26、状钛合金因具有众多优秀特点而被广泛应用于各个领域。钛合金在军事方面的应用：钛最早的应用，就是为军事航空工业提供高性能材料。随着各国军事工业的发展，钛的应用领域被不断拓宽。至今，钛已在航空航天、核能、舰船、兵器等诸多领域获得越来越多的应用，成为重要的战略金属材料。其应用水平也成为衡量一个国家武器装备先进程度，反映一个国家的军事水平和军事实力的重要指标。钛合金在生物医学方面的应用：生物医用材料是材料科学的一个重要分支，是用于诊断、治疗或替代人体组织、器官或增进其功能、具有高技术含量和高经济价值的新型载体材料，是材料科学技术中一个正在发展的新领域。钛无毒、质轻、强度高且具有优良的生物相容性，是非常理
27、想的医用金属材料。钛及其合金凭借优良的综合性能，成为人工关节(髋、膝、肩、踝、肘、腕、指关节等)、骨创伤用品( 髓内钉、托板、螺钉等)、脊柱矫形内固定系统、牙种植体、牙托、牙矫形丝、人工心脏瓣膜、介入性心血管支架等医用内植入产品的首选材料。目前，还没有比钛合金更好的金属材料用于临床。发达国家和世界知名体内植入物产品供应商都非常重视钛合金的研发工作，推出了一系列新的医用钛合金材料，包括具有生物活性的钛合金仿生材料，在医用钛合金材料的表面处理方面也做了很多专利性的设计与开发，赋予医用钛合金材料更好的生物活性以满足人体的生理需要，从而达到使患者早日康复的目的。钛合金在民用领域方面的应用：钛合金在自行
28、车行业、汽车行业及体育行业都有广泛的应用。作为制作高档自行车架的材料应具有较高的强度和硬度，钛合金将是一种极好的选择。不仅其质量仅为钢的 50，且强度质量比比铬钼钢高284。钛合金同时具备很好的抗疲劳性能，疲劳极限是钢的两倍。钛制品应用势头发展迅猛的另一行业是汽车业。目前，汽车发动机气门、连杆、曲轴、排气管、悬簧、消音器、车体和紧固件等，都用上了钛或钛合金。钛在体育用品中的应用，从最早的网球拍、羽毛球拍到最近几年广泛使用的高尔夫球头、杆以及赛车等，使人们对钛的认识提高了一大步。此外钛制体育用品还有：击剑防护面罩、冰刀、钓鱼杆、钓鱼用绕线架、赛艇用零部件、滑雪杖、雪铲、登山钉、田径跑鞋用的注射成
29、型 TiFe 系鞋底钉等等。洛阳理工学院毕业设计（论文）8第 2 章 车削钛合金实验结果分析2.1 实验相关材料2.1.1 工件材料材料选用 Ti-6Al-4V（TC4）钛合金的棒料。这是一种高强度钛合金，为+ 型合金，回火温度达到 400。其综合性能优良，塑性和冲击韧性高，因而在航空航天、船舶、化工及常规兵器等领域得到非常广泛的应用。TC4 的化学成份和机械性能如表 2.1 和表 2.2 所示表 2.1 TC4 化学成分表元素 C Fe N O Al V H Ti含量 0.1 0.3 0.05 0.02 5.56.8 3.54.5 0.015 余量表 2.2 TC4 机械性能表材料 Ti-6
30、Al-4V（TC4）抗拉强度（MPa） 993屈服强度（MPa） 830弹性模量 114硬度（HRC） 362.1.2 刀具材料切削加工钛合金应从降低切削温度和减少粘结两方面出发，选用硬性好、抗弯强度高、导热性能好、与钛合金亲和性差的刀具材料，YG 类硬质合金比较合适。因此本文选择了 YG6X 刀片。2.2 实验方案由于切削力是切削加工需要研究的主要对象，本文首先对切削力进行单因素切削实验。分别改变切削速度、进给量、切削深度，研究切削力的变化情况。其洛阳理工学院毕业设计（论文）9实验方案的设定见下表：表 2.3 为切削力随进给量变化的单因素实验方案，进给量(mm/r)的水平设为：0.08、0.
31、12、0.16、0.2、0.24、0.28、0.32。表 2.3：切削力随进给量变化的实验条件切削速度（m/min）切削深度（mm）润滑方式50 0.5 干切削表 2.4 为切削力随切削深度变化的单因素实验方案，切削深度（mm/r）的水平设为:0.25、0.5、0.75、1、1.25、1.5、1.75、2。表 2.4：切削力随切削深度变化的实验条件切削速度（ m/min）进给量（mm/r）润滑方式50 0.16 干切削表 2.5 为切削力随切削速度变化的单因素实验方案，切削速度（m/min）的水平设为：30、35、40、45、50、55、60、70、80。表 2.5：切削力随切削速度变化的实验
32、条件切削深度（mm）进给量（mm/r ）润滑方式0.5 0.16 干切削由于研究对象受到多种因素的影响，采用全面实验法会使实验的数量大幅增长，这就会增加试验的成本和周期，甚至得到不准确的实验结果，显然这样不合理。为了减少试验次数，又得到合理的试验结果，正交试验法在科学研究中被广泛应用。在正交试验中，试验样本不是随即选取的，而是按照正交表来选取和安排的，使得每一个影响因素的不同水平的试验次数相同，且和不同因素的各水平相遇几率相等。这个试验是在干切削的状态下进行的，根据车削的影响因素，与机床的情况选择了 3 个因素 4 个水平，对切削力进行测量。2.3 实验结果及分析洛阳理工学院毕业设计（论文）1
33、02.3.1 实验结果根据表 2.3，表 2.4，表 2.5 建立的单因素实验得到切削力随进给量、切削速度、切削速度变化的数据：表 2.6 切削力随进给量变化数据：进给量（ mm/r）Fx（N） Fy（N） Fz（N）0.08 77 93 1620.12 72 91 1570.16 78 95 1860.2 85 104 2100.24 85 107 2260.28 93 112 2390.32 96 126 261表 2.7 切削力随切削深度变化数据：切削深度（mm）Fx（N） Fy（N） Fz（N）0.25 48 74 1420.5 72 85 1780.75 83 92 1901 91
34、107 2101.25 101 110 2181.5 116 115 2331.75 137 123 2592 149 127 273表 2.8 切削力随切削速度的变化数据：切削速度（m/min）Fx（N） Fy（N） Fz（N）洛阳理工学院毕业设计（论文）1130 96 114 24735 91 106 23540 88 102 21245 85 100 19850 78 95 18655 76 92 18360 82 103 20070 103 121 22580 118 133 2582.3.2 结果分析根据所学知识对以上 3 个表格数据进行分析：一、从图 2-1 可以看出当进给量小于
35、0.15mm 时，切削力随着进给量的增大而减小，这是由于钛合金在切削时会形成 0.15mm 左右的硬化层，当进给量小于0.15mm 时，车刀切在硬化层内，因此切削力比较大。同时看出当切削力大于0.15mm 时，各切削力随着切削深度的增加而增加。三个方向力的由大到小的排列为 Fz、Fy 和 Fx。由金属切削原理可知，切削力与切削面积成正比，当切削深度增加时，切削面积增大，所以切削力随着切削深度的增加而增加。0.08 0.12 0.16 0.2 0.24 0.28 0.32050100150200250300Fx（N ）Fy（N ）Fz（N ）进 给 量 （mm/r ）切削力（N）图 2-1 切削
36、力随进给量的变化规律洛阳理工学院毕业设计（论文）12从图 2-2 可以看出各切削力随着切削深度的增大而增大，且切削深度的增大对影响比较明显，而对 Fy 影响较小。这是因为切削深度增大方向与 Fx 的方向一致，因此当切削深度增加时，Fx 和 Fz 增加比较显著。另外对比图 2-1 与 2-2 可以看出切削深度对切削力大小的影响要比进给量大，这是由于切削深度或进给量增加时，切削面积增大，弹塑性变形总量增加，从而使切削力增大。当切削深度增加一倍时，切削力约增加 45，而当进给量增加一倍时，切削力只增加2534。因此为减小切削力应优先选择对其影响比较显著的因素切削深度，而选用较小的切削深度值。切削深度
37、一般应小于 1mm，而进给量在尽可能小的同时，要大于其硬化层的厚度，一般应在 0.2mm/r 以上。0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5 1.75 2050100150200250300Fx（N ）Fy（N ）Fz（N ）切 削 深 度 （mm ）切削力（N）图 2-2 切削力随切削深度的变化规律由图 2-3 可以看出切削力随切削速度的变化。当速度在 30m/min50m/min的时候切削力随速度的增大而变小，当速度在 50m/min80m/min 的时候切削力随速度的增大而增大。这时由于在钛合金的切削中切削速度对切削力的影响包括两个方面切削温度和切削瘤。由于钛合金的导热系数很小(
38、只相当于 45 号钢的1/51/7) ，切屑与前刀面的接触长度极短，切削时产生的热不易传出，集中在切削区和切削刃附近的较小范围内，切削温度很高，钛合金加工过程中的高温软化现象比较显著，所以在 30m/min50m/min 范围内切削力随切削速度的增加而减小。由于钛的化学活性大，在高的切削温度下，容易吸收空气中的氧和氮形成硬而脆的外皮。再加上切削过程中的塑性变形造成的表面硬化，低速下塑性变形严洛阳理工学院毕业设计（论文）13重，所以随着切削速度的进一步提高，钛合金的加工硬化现象取代高温软化而成为主导因素，所以在 50m/min80m/min 切削速度范围内，切削力表现出随切削速度增加而增加的现象
39、。从切削力随切削速度变化效应图可以看出，在钛合金切削加工过程中存在一个使切削力最小的切削速度，即 50m/min 上下的范围。此外当速度由低速逐渐增大时会使积屑瘤增大，切削瘤增大使刀具的实际前角也增多，从而使切削力变小；当切削速度继续增大时，积屑瘤又逐渐减小。当积屑瘤消失时，切削力达到最大。30 35 40 45 50 55 60 70 80050100150200250300Fx（N ）Fy（N ）Fz（N ）切 削 速 度 （m/min ）切削力（N）图 2-3 切削力随切削速度的变化规律洛阳理工学院毕业设计（论文）14第 3 章 钛合金车削有限元仿真3.1 有限元分析方法过程利用有限元分
40、析可以解决线性稳定类型的物体模型、动态物体模型、热传导模型、场问题模型(电场、磁场、流变场等)等，目前，有限元法已经发展成为一种在工程设计中广泛应用的分析方法。有限元分析包括以下三个阶段：(1)预处理阶段：进行实体造型或输入实体造型，选用物体，指定机械属性，划分有限元，选用载荷和边界条件，检验模型。划分有限元时，供选择的单元类型有：一维梁单元，二维壳类单元，三维实体单元。一般有载荷和边界条件的地方，单元划分的密一些，而结构相对稳定和牢固的地方，单元划分的稀疏一些。检验模型是划分单元以后，检验一下网格中的每一个单元是否畸变，特别是人工生成法划分的单元，容易发生网格畸变。(2)解算模型阶段：在解算
41、模型时，模型的节点、单元、约束载荷、物理和机械特征都己定义，所以可由计算机计算单元刚度矩阵，单元刚度矩阵反映了节点力和节点位移之间转化关系，所以又称为转化矩阵。(3)后置处理阶段：有限元分析能够用不同的方式显示分析结果，以便明显看出哪一部分是否失效和怎样改进设计。分析了计算结果以后，可以由计算结果来发现模型受力最大、变形最大的区域，然后将此区域的网格再细分，以便重新计算，得到更精确的解，有了精确解，即可以对模型结构进行修改，重新计算分析。3.2 有限元软件 DEFORM-3D 介绍有限元技术在金属塑性成形方面理论研究的迅猛发展和计算机技术的成熟，出现了像美国的 ALPID、DEFORM、AUT
42、OFORGE 以及法国的 FORGE3 等专业有限元数值分析系统。针对切削加工的特点，本文选择使用了 DEFORM-3D 作为分析工具，下面对 DEFORM-3D 做一个简单介绍。洛阳理工学院毕业设计（论文）15DEFORM-3D 是一套基于工艺模拟系统的有限元系统(FEM)，专门用于设计分析各种金属成形过程中的三维流动，在一个集成环境内综合建模、成形、热传导和成形设备特性进行模拟仿真分析。适用于热、冷、温成形，包括锻造、挤压、徽粗、轧制、自由锻、弯曲、机械加工和其它成形加工手段。提供极有价值的工艺分析数据，如：材料流动、切削应力、模具填充、锻造负荷、模具应力、晶粒流、金属微结构和缺陷产生发展
43、情况等。DEFORM-3D 是模拟 3D 材料流动的理想工具，而且易于使用。系统中集成了在任何必要时能够自行触发自动网格重划生成器，生成优化的网格系统。在要求精度较高的区域，可以划分较细密的网格，从而降低题目的规模，并显著提高计算效率。具体的来说，DEFORM 具有以下的典型特点：(1)不需要人工干预，全自动网格再剖分。(2)前处理中自动生成边界条件，确保数据准备快速可靠。(3)DEFORM-3D 模型来自 CAD 系统的面或实体造型(STLSLA) 格式。(4)材料模型有弹性、刚塑性、热弹塑性、热刚粘塑性、粉末材料、刚性材料及自定义类型。(5)实体之间或实体内部的热交换分析既可以单独求解，也
44、可以藕合在成形模拟中进行分析。(6)单步模具应力分析方便快捷，适用于多个变形体、组合模具、带有预应力环时的成形过程分析。(7)具有 FLOWNET 和点迹示踪、变形、云图、矢量图、力行程曲线等后处理功能。(8)具有 2D 切片功能，可以显示工件或模具剖面结果。(9)自定义过程可用于计算流动应力、冲压系统响应、断裂判据和一些特别的列理要求，如：金属微结构，冷却速率、机械性能等。DEFORM-3D 图形界面，既强大又灵活，为用户准备输入数据和观察结果数据提移了有效工具。DEFORM-3D 还提供了 3D 几何操纵修正工具，这对于 3D 过程模拟极为重要。DEFORM-3D 延续了 DEFORM 系
45、统几十年来一贯秉承的力保计算准确可靠的系统。在最近的国际范围复杂零件成形模拟招标演算中，DEFORM-3D 的计算精度和结身可靠性，被国际成形模拟领域公认为第一。洛阳理工学院毕业设计（论文）163.3 DEFORM-3D 中应用加工向导模块进行车削仿真的基本步骤DEFORM 为了方便应用，提供了成型分析、加工分析(包括切削和钻削)等向导，用户只需按向导进行相关设置，生成数据库之后即可对模型求解。也可进入前处理进行更详细的设置，如网格密度框。利用加工向导进行的设置主要步骤有：(1)进入 DEORM-3D 主界面。(2)进入切削加工前处理界面，如图 3-1 所示。在模拟类型中选择车削加工。(3)生
46、成模型(刀具和工件)根据实际情况选择加工条件、刀具参数、工件参数等，直到最后生成.DB 文件，从而生成模型的步骤可以利用加工向导逐步进行，如图 3-2 所示。在本仿真中切削条件的可根据经验进行设置(图 3-3)。最终生成图 3-4 所示的仿真模型。(4)进行运算。(5)进入后处理界面对刀具和工件进行分析。 图 3.1 前处理界面图 3-1 前处理界面洛阳理工学院毕业设计（论文）17图 3-2 仿真模型生成向导 图 3-4 仿真模型 图图 3-3 切削条件的设定3.4 DEFORM-3D 中切削加工过程有限元模型建立的主要注意点3.4.1 网格划分的设置金属在塑性加工过程中，形状简单、规则的材料
47、经过一系列中间过程，转变到形状复杂的产品，其变形量特别大。除了材料内部变形较大外，变形材料与刀具边界处于动态接触和脱离的变化过程中，材料边界形状变化也非常大。上面两种现象的出现，使得在对初始工件用形状比较规则的有限元网格进行离散，经过一段时间的增量加载计算后，部分网格产生畸变现象，网格出现不同程度的扭曲。洛阳理工学院毕业设计（论文）18这与有限元分析要求的单元形状尽量接近于母单元的形状相违背，因而将产生较大的计算误差，特别是三角形单元和四面体单元。网格严重扭曲，在进行等参变换时将使雅克比(Jocbaiml) 行列式的值出现零或负值，使计算难以进行下去。另外，利用塑性有限元分析金属塑性加工问题时
48、，由于网格的畸变，边界网格有时会与刀具表面出现交叉现象。干涉程度严重时，也将影响计算精度。因此，对于涉及大变形的复杂金属加工过程，很难用一成不变的网格把变形过程模拟到底。为了解决上述问题，提高有限元模拟复杂大变形问题的能力，网格变形到一定程度以后，必须停止计算，重新划分适合于计算的网格，然后再继续进行计算。对于切削这种大的塑性变形问题，应该采用自适应网格重划分技术，随着刀具的进给，正在被切削加工的部分应一该实现网格细化，而没有加工的部位和加工过的部分，网格应该租划，这样既解决了局部变形的精确求解，又节省了求解时间以及内存的消耗。单元类型的选取对计算的精度和效率有很大的影响，对于切削这种几何大变
49、形及材料非线性问题，我们选取最为简单的四个节点的四面体单元，这种单元适合自动重划分网格技术。对于在 DEFORM-3D 中，实体都是划分为四面体单元。如果由其它网格划分工具划分好的模型输入到 DEFORM-3D 中，将不能重划分网格。3.4.2 切屑的分离标准设定与一般的塑性成型不同，切削加工是一个使被加工材料不断产生分离的过程。一个合理的分离准则只有真实地反应切削加工材料的力学和物理性质，才能得到合理的结果，例如切屑的几何形状、切削力、温度和残余应力分布等。另外，一个好的分离准则的临界值在切削材料确定后，不应该随着切削条件的变化而变化。目前，在有限元模拟中已经提出了各种切削的分离准则，这些准则可以分为两种类型：几何准则和物理准则。几何准则主要通过变形体的几个尺寸的变化来判断分离与否；物理准则主要是基于制定的一些物理量的值是否达到了临界值而建立的。3.4.3 材料模型的建立对切削进行模拟前，必须获得金属材料在真实切削过程中随应变、应变率和洛阳理工学院毕业设计（论文）19温度变化的流动应力数据，这些数据必须真实反映高应变率（有的甚至高达/s） ，高温(1000以上)和大应变(应变 4
