鈦合金銑削加工過程參量建模及刀具磨損狀態(tài)預(yù)測.pdf

1、鈦合金因其優(yōu)良的綜合性能在航空航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，被譽為一種使人類走向空間時代的戰(zhàn)略金屬材料。然而，由于具有導(dǎo)熱系數(shù)低、彈性模量小和高溫化學(xué)活性高等特點，鈦合金又是一種典型的難加工材料。在切削過程中，容易產(chǎn)生很高的切削溫度，導(dǎo)致刀具磨損加快、表面質(zhì)量難以控制。同時，由于鈦合金的結(jié)構(gòu)件特點，大量的材料需要從整塊坯料中去除，進(jìn)一步增加了加工困難。硬質(zhì)合金因其優(yōu)良的性能而廣泛應(yīng)用于鈦合金材料的加工。然而，硬質(zhì)合金刀具的磨損是個突出的問題。

2、嚴(yán)重的刀具磨損不僅對加工效率和質(zhì)量有較大的影響，而且也關(guān)系到加工成本，且目前尚缺乏鈦合金加工用刀具壽命預(yù)測的有效模型和方法。因此，研究鈦合金加工用刀具的磨損模型，預(yù)測刀具磨損量，監(jiān)測刀具磨損狀態(tài)，已成為鈦合金加工研究領(lǐng)域值得關(guān)注的課題。
　　本文采用航空用鈦合金Ti6Al4V作為研究材料，研究硬質(zhì)合金刀具切削鈦合金Ti6Al4V過程中，在熱力耦合作用下的磨損特征與規(guī)律。首先從理論和實驗兩方面對銑削Ti6Al4V時考慮刀具磨損影響的

3、切削力進(jìn)行了研究;基于切削力與切削溫度的密切相關(guān)性，利用經(jīng)典傳熱學(xué)理論提出了銑削鈦合金Ti6Al4V時銑削溫度的理論預(yù)測模型，并且借助半人工熱電偶法測量采集了銑削過程中的銑削溫度;考慮刀具在銑削過程中受到的熱力耦合作用，揭示了基于溫度效應(yīng)的刀具失效機理，構(gòu)建了硬質(zhì)合金刀具磨損模型;最后利用有限元軟件AdvantEdg的二次開發(fā)技術(shù)，進(jìn)行了刀具磨損的預(yù)測研究。
　　切削力是反映切削過程本質(zhì)的一個重要參量，切削力的大小將直接影響切削功

4、率、切削熱、刀具磨損和加工變形等，同時不斷變化的刀具磨損也會導(dǎo)致切削力的變化，切削加工過程就是切削力與刀具磨損彼此相互激勵、相互作用的過程。本文從理論和實驗兩方面對整體硬質(zhì)合金立銑刀銑削鈦合金Ti6Al4V時考慮刀具磨損影響的切削力進(jìn)行了研究。首先基于經(jīng)典剪切角理論以及Armarego經(jīng)典斜角切削理論分別建立了直角、斜角切削力模型;考慮到刀具磨損的影響，建立了考慮刀具前、后刀面磨損的切削力模型;進(jìn)而借助于整體刀具離散化建模思想構(gòu)建了復(fù)雜

5、結(jié)構(gòu)整體立銑刀磨損狀態(tài)下的三維切削力預(yù)測模型;最后通過鈦合金Ti6Al4V銑削實驗，對比分析了切削力的理論預(yù)測值與實驗測量值，驗證了切削力預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。
　　切削溫度是反映切削過程本質(zhì)的另一個重要參量，尤其對于銑削加工而言，其特殊的斷續(xù)切削性使得銑削加工過程較普通車削加工過程更加復(fù)雜，加工環(huán)境更加惡劣，加工過程中產(chǎn)生的高溫高壓是刀具發(fā)生磨損的原因。本文基于經(jīng)典傳熱學(xué)理論建立了考慮刀具磨損影響的斜角車削過程切削區(qū)溫度場的傳熱模型

6、，用熱源法對剪切熱源、刀/屑和刀/工摩擦熱源的溫度場進(jìn)行了理論計算，得到三者共同作用下刀具、切屑以及工件的溫度場預(yù)測模型;進(jìn)而借助于離散化思想把建立的斜角車削溫度場預(yù)測模型轉(zhuǎn)化為銑削過程中考慮刀具磨損影響的溫度場預(yù)測模型;最后在對鈦合金Ti6Al4V-康銅非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶進(jìn)行標(biāo)定的基礎(chǔ)上，利用半人工熱電偶法測量采集了銑削溫度，研究了加工參數(shù)對銑削溫度的影響規(guī)律，并將切削溫度預(yù)測模型計算結(jié)果與實驗測量結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗證了切削溫度預(yù)測模型的

7、可靠性。
　　銑削鈦合金過程中，在切削力和切削熱的耦合作用下，刀具很容易出現(xiàn)磨損。本文通過觀察大量實驗現(xiàn)象，分析了在熱力耦合作用下硬質(zhì)合金刀具的磨損形貌，闡述了硬質(zhì)合金刀具磨損機理;基于磨損刀具的微觀組織、化學(xué)成分以及物理性能變化的檢測，討論了元素擴散對硬質(zhì)合金刀具物理性能的影響;利用Fick擴散定律對硬質(zhì)合金刀具材料與鈦合金Ti6Al4V之間的擴散現(xiàn)象進(jìn)行理論分析與計算;基于以上工作，分析了溫度效應(yīng)對于硬質(zhì)合金刀具磨損機理的影響