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1、 摘 要本文对钛合金的性能进行了介绍。钛合金在切削过程中变形系数小，切削温度高，是一种典型的难加工材料。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。在金属的切削过程中切削力和切屑控制是反映材料切削加工性的主要指标。本文利用有限元软件DEFORM-3D仿真TC4钛合金的车削过程，得到了切削力与切削温度的变化曲线，并知道切削过程中切削力是先波动再周期性稳定的。借用正交试验法获得多组仿真数据，分析得出了切削力的经验公式。通过研究切削力与切削参数的变化规律发现切削过程中切削力是随着切削速度的增大而减小，随着切削深度和进给量的增大而增大的。本文建立的切削过程有限元模型可以用来预报切削力，为钛
2、合金切削研究提供相关参考。因此，它具有重大而深远的意义。关键词：钛合金；高速切削；切削力；DEFROM-3DAbstractThe paper introduce the properties of Titanium alloys. Because of the natures of small coefficient of deformation and high tempreture of cutting in the cutting process, Titanium alloys named a typical material that is difficult to process
3、 . Therefore, its of great significance to study machinability of titanium alloys for improve the processing efficiency.Cutting forces and chip control are the major indexes reflecting cutting process. The paper uses finite element software DEFORM-3D to emulate TC4 Titanium alloys turning process an
4、d abtains the changing curve of cutting forces and temperatures, and know that cutting forces are undulate before steady. Getting several groups of emulate figures with the help of orthogonal experiment ways. By studying the changing regular pattern of cutting forces and cutting parameter, finding w
5、hen cutting speed raises, cutting processes reduces .When depth of cutting changes deeper and feed of cutting changes bigger, it becomes bigger.The papers finite element model that developed in the cutting processes can be used to preforcast cutting forces, and provides some related reference to Tit
6、anium alloy cutting research . So , it has important and lasting significance.Keywords: Titanium alloys; High-speed cutting ;cutting forces;DEFROM-3D 目 录摘 要IAbstractII目 录III1 绪论11.1 课题背景和意义11.2 国内外研究现状31.3 钛合金的性能特点41.3.1 钛及钛合金41.3.2 钛合金分类51.3.3 钛合金特性61.3.4 钛合金的切削特点61.3.5 钛合金的热处理71.3.6 钛合金Ti-6Al-4V的物
7、理性能81.4 本课题的研究内容和方法91.5 本章小结102 有限元软件DEFORM介绍112.1 有限元仿真软件种类112.2 DEFORM的适用范围和对象112.3 DEFORM的特色功能与价值122.3.1 DEFORM的特色功能122.3.2 DEFORM的价值122.4 DEFORM的功能模块122.4.1 DEFORM2D模块122.4.2 DEFORM3D模块132.4.3 DEFORMF2模块132.4.4 DEFORMF3模块132.4.5 DEFORMHT模块132.4.6 DEFORM TOOL142.5 DEFORM3D软件基本操作142.5.1 前处理操作142.5
8、.2 仿真操作142.5.3 后处理操作152.6 DEFORM3D网格划分原则及方法162.6.1 网格划分的原则162.6.2 网格划分的方法172.7 本章小结183 有限元与切削力理论193.1有限元理论193.1.1 有限元法介绍193.1.2 刚塑性有限元法213.2 切削力理论223.2.1 切削力分析及切削功率223.2.2 影响切削力的因素243.3 本章小结264 有限元仿真切削模型274.1 几何模型的建立274.2 摩擦模型的建立284.3 切屑分离标准设定294.4 材料模型的建立314.5 断裂准则模型324.6 本章小结335 仿真分析345.1 概述345.2
9、不同切削条件下切削力的仿真345.2.1 仿真过程中的切削力345.2.2 正交试验的设计375.3切削力的回归分析385.4 切削力与切削用量的关系405.4.1 切削力与切削速度的关系405.4.2 切削力与切削深度和进给量的关系425.5 本章小结436 总结与展望446.1 论文总结446.2 工作展望44致 谢45参考文献46附录A 英文原文48附录B 汉语翻译58IV1 绪论1.1 课题背景和意义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，
10、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的先进程度，反映一个国家的军事水平和军事实力的重要指标14。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
11、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28.4%。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
12、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、宝剑、冰刀、钓鱼杆、钓鱼用绕线架、赛艇用零部件、滑雪杖、雪铲、登山冰杖、登山钉、田径跑鞋用的注射成型Ti-Fe系鞋底钉等等。高速切削加工作为制造中最为重要的一项先进制造技术，是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术。在常规切削加工中备受困扰的一系列问题，通过高速切削加工的应用得到了解决。其切削速度、进给速度相对
13、于传统的切削加工，以级数级提高，切削机理也发生了根本的变化。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提高了30%40%， 切削力降低了30%，刀具的切削寿命提高了70%，留于工件的切削热大幅度降低，低阶切削振动几乎消失。 随着切削速度的提高，单位时间毛坯材料的去除率增加，切削时间减少，加工效率提高，从而缩短了产品的制造周期，提高了产品的市场竞争力。同时，高速切削加工的小量快进使切削力减小，切屑的高速排除，减小了工件的切削力和热应力变形，提高了刚性差和薄壁零件切削加工的可能性。由于切削力的降低，转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的低阶固有频率，而工件的表面粗
14、糙度对低阶频率最为敏感，由此降低了表面粗糙度。金属切削过程中会出现各种物理现象，如切削变形、切削力、切削热与温度、刀具磨损与破损以及加工表面完整性等。切削力和其他各种现象之间无不存在密切的关系，研究切屑形成过程是切削力的基础，切削力又与切削热的产生有关。切削力是切削加工中的基本参数，其动态变化直接影响加工过程中刀具与工件的相对位移、刀具磨损和表面加工质量等，大量研究表明，随着刀具磨损的增加将导致切削力增大，切削速度v、进给量f、切削深度的变化都会影响切削力的大小。同时，切削力的大小也随工件材料、刀具材料等具体切削加工环境的不同而不同。在生产中，切削力是计算切削功率、设计与使用机床、刀具和夹具的
15、重要依据。研究切削力的变化规律对实际生产有重要意义。因此对切削力仿真建模是进行加工过程物理仿真研究的基础。DEFORM-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：（1）不需要人工干预，全自动网格再剖
