钛合金高速正交切削过程的数值模拟及热力学研究

摘要

作为近几十年迅速发展起来的一种先进的金属切削加工技术，高速加工以其高效的生产率、良好的表面加工质量和更低的加工成本迅速发展成一种在工业生产领域和科学研究中被广泛采用的加工技术手段。
　　金属高速切削加工过程通常发生着极小范围内的高应变、高应变速率、大变形以及高温作用，是一个典型的的非线性热力耦合过程，切削加工中的材料变形和切削热传导特性强烈影响着切削过程。有限元仿真模拟计算作为一种新兴的技术能够很好地再现切削加工过程，能够对于加工中很难观测到的切削区应力应变、温度分布、切屑断裂以及摩擦生热特性和加工过程热传导问题进行系统的研究，本文结合高速切削加工技术，对钛合金材料Ti-6Al-4V的高速切削加工过程进行了系统地模拟仿真研究和实验对比。
　　论文首先总结了高速切削加工技术研究进展现状，阐述了钛合金材料的发展过程和应用现状，讨论了数值模拟仿真技术在钛合金高速切削加工领域的应用。其次，阐述了金属高速切削加工中涉及到的有限元理论和材料弹塑性本构理论，分析了材料的弹塑性力学特性和有限元求解过程中所用到的材料模型，重点介绍了高速切削加工仿真中的有限元网格技术、刀-屑摩擦特性、切屑分离技术以及加工过程生热和热传导，给出了切削有限元分析热力耦合的一般过程。最后，使用ABAQUS软件建立了高速正交切削的有限元模型，分析了切削加工区域的应力应变以及温度特性等，在切削仿真中观察到了明显的绝热剪切现象。分别考虑了切削速度、切削深度和刀具前角对加工过程的影响，使用正交因素试验验证了仿真过程，仿真结果为切削加工提供了很好的指导作用。

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1 绪论

1．1课题的背景及意义

1．2高速切削技术概述

1．3钛合金材料高速切削的加工技术特点及其数值仿真概况

1．4本文的研究的主要内容

2 钛合金高速切削有限元基础分析理论

2．1有限元基础理论

2．2金属弹塑性成形理论及有限元方法

2．3刚塑性有限元法

2．4温场问题的计算方法

2．5小结

3 材料的弹塑性本构方程及有限元关键技术

3．1弹塑性变形的本构方程—增量理论和全量理论

3．2 有限元仿真关键技术

3．3本章小结

4 钛合金正交切削过程仿真与结果分析

4．1有限元软件介绍

4．2钛合金正交切削过程有限元建模

4．3仿真结果分析

4．4正交高速切削中锯齿状切削的产生

4．5本章小结

5 钛合金正交切削过程的试验验证与仿真结果分析

5．1试验过程和测量方法

5．2切削参数设置

5．3切削过程参数对于切削结果的影响

5．4本章小结

6 结论和展望

6．1结论

6．2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢