論文開題：基于數(shù)值仿真的車刀幾何角度設(shè)計方法研究

大學(xué)本科畢業(yè)論文(設(shè)計)開題報告
學(xué)院：機(jī)電及自動化學(xué)院　　　　　　　　專業(yè)班級：機(jī)械制造及自動化2班

課題名稱 基于數(shù)值仿真的車刀幾何角度設(shè)計方法研究

1、本課題的的研究目的和意義：
鈦是一種稀有金屬，其合金具有很高的比強(qiáng)度，很好的耐腐蝕性和高溫力學(xué)性能。鈦合金零件具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、減震、減噪、壽命長等特點。鈦合金最初應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)化規(guī)模的擴(kuò)大，鈦工業(yè)發(fā)展迅速，逐漸擴(kuò)大到化工、電力、冶金、兵器、汽車等行業(yè)。鈦合金的科研技術(shù)水平衡量航空航天的先進(jìn)程度，同時也提高其他工業(yè)裝備的性能。世界上許多國家都認(rèn)識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進(jìn)行研究開發(fā)，并得到了實際應(yīng)用。20世紀(jì)50～60年代，主要是發(fā)展航空發(fā)動機(jī)用的高溫鈦合金和機(jī)體用的結(jié)構(gòu)鈦合金，70年代開發(fā)出一批耐蝕鈦合金，80年代以來，耐蝕鈦合金和高強(qiáng)鈦合金得到進(jìn)一步發(fā)展。鈦合金主要用于制作飛機(jī)發(fā)動機(jī)壓氣機(jī)部件，其次為火箭、導(dǎo)彈和高速飛機(jī)的結(jié)構(gòu)件。目前，世界上已研制出的鈦合金有數(shù)百種，鈦合金加工材年產(chǎn)量已達(dá)4萬余噸,鈦合金牌號近30種。使用最廣泛的鈦合金是Ti-6Al-4V(TC4),Ti-5Al-2.5Sn(TA7)和工業(yè)純鈦（TA1、TA2和TA3）。
航空
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認(rèn)為切削速度對刀具耐用度的影響最大，進(jìn)給量次之，背吃刀量影響最小。黃澤喜認(rèn)為：切削鈦合金時圓柱度誤差十分顯著，應(yīng)限制切削速度及采用適當(dāng)?shù)牡毒咧髌牵詼p小切削抗力。吳紅兵等從刀具幾何角度對TC4切削加工的影響出發(fā)進(jìn)行了研究，分析了刀具的前角、后角、刀尖圓弧半徑對切削力的影響。Zhi*in Liu等利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法對高速加工鈦合金的表面粗糙度進(jìn)行了研究。魏樹國等、許文祥等均對鈦合金的切削加工性進(jìn)行了研究，提出了對鈦合金切削加工參數(shù)選擇的研究成果。沈良冀對醫(yī)用鈦合金零件進(jìn)行了數(shù)控加工工藝優(yōu)化研究，提出了具體的切削參數(shù)優(yōu)化方案，建立了粗糙度模型與加工效率模型，得到有效的參數(shù)優(yōu)化。王懷峰等采用有限元分析軟件AdvantEdgeFEM和DEFORM-3D進(jìn)行了三維仿真，研究了鈦合金的車削加工過程切削熱的整體分布情況和刀具、切屑及工件切削溫度的分布規(guī)律。姜峰建立了基于Power-Law模型的材料本構(gòu)關(guān)系和基于裂紋擴(kuò)展的材料失效模型，并進(jìn)行了不同冷卻潤滑條件下的切削仿真，研究了不同冷卻潤滑條件下鈦合金高速加工機(jī)理，分析了刀具磨損對已加工表面、切屑形貌和銑削力的影響。朱文明研究了高速切削TI6AL4V時的鋸齒狀切屑形成機(jī)理并進(jìn)行了仿真模擬。于譚繼研究了TC4的熱處理工藝對車削加工性能的影響。
3、 本課題的主要研究內(nèi)容（提綱）和成果形式：
 鈦合金的切削加工性分析
1) 鈦合金材料的性質(zhì)
鈦在固態(tài)存在著同素異構(gòu)體。在882 ℃產(chǎn)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，低于882℃，鈦為密排六方結(jié)構(gòu)，稱之為“α-Ti”。這種晶體結(jié)構(gòu)具備各向異性，對間隙元素的污染敏感，在低溫下塑形逐漸降低。高于882℃時，鈦為體心立方結(jié)構(gòu)，稱之為“β-Ti”。這種類型的結(jié)構(gòu)具有高的成形性能，在高溫下的蠕變抗力較低，并有“塑形—脆性轉(zhuǎn)變”的特性。在鈦中加入合金元素，根據(jù)其對鈦的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變影響的不同，鈦合金可分為3類：α相鈦合金，β鈦合金，（α+β）相鈦合金。
TC4（Ti6Al4V）合金屬于（α+β）相鈦合金，其成分為Ti-6Al-4V。TC4在退火狀態(tài)就具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性，經(jīng)淬火（930℃加熱）和時效處理（540℃、2H）后，其 可達(dá)1274MPa， 為1176MPa，并有較高的蠕變抗力、低溫韌性和耐蝕性良好。TC4合金適用于制造400℃以下和低溫下工作的零件，如火箭發(fā)動機(jī)外殼、火箭和導(dǎo)彈的液氫燃料箱等部件，應(yīng)用最廣泛，用量最大。
在高溫下（550℃左右）下，鈦合金仍保持其力學(xué)性能；在低溫下，鈦合金強(qiáng)度反而比常溫時增加，且具有良好的韌性。鈦對氧有較大的親和力，在含氧的環(huán)境中能形成堅固的氧化物保護(hù)膜，而且有優(yōu)異的耐腐蝕性能。
由于鈦合金性能的特殊性，使鈦合金的切削加工比較困難。
2) 鈦合金切削加工性差的原因
切削加工性是一個相對性的概念。衡量切削加工性的指標(biāo)主要有：刀具耐用度，加工質(zhì)量和斷屑性能。鈦合金硬度及強(qiáng)度按α相、（α+β）相、β相的次序增加，而切削加工性按這個次序下降。鈦合金切削加工性差的原因主要有：
導(dǎo)熱系數(shù)小，切削溫度高。鈦合金的熱擴(kuò)散率分別是鐵、鋁的1/4和1/6。鈦合金的導(dǎo)熱系數(shù)比不銹鋼、高溫合金的導(dǎo)熱系數(shù)還低，加工時幾乎所有的熱量都集中在切削刃上，因此，切削過程中的切削溫度非常高。
切屑與前刀面的接觸長度短，刀尖應(yīng)力大。相同切削條件下，鈦合金的切削力雖然比45號鋼小很多，但鈦切屑與前刀面的接觸面積卻更小，所以，單位切削刃上承受的應(yīng)力就很大，是鋼的1.3~1.5倍。由于刀尖附近應(yīng)力集中，刀尖或切削刃容易磨損，甚至損傷。
鈦合金的強(qiáng)度高、硬度大、沖擊韌性大，加工硬化非常嚴(yán)重，所以切削時刀具磨損也非常嚴(yán)重。工件加工時產(chǎn)生的不良應(yīng)力，破壞了加工零件的精度。加工時要求加工設(shè)備功率大，刀具應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和硬度。
摩擦系數(shù)大，摩擦速度高。鈦合金與刀具材料間的摩擦系數(shù)大于碳鋼與刀具材料間的摩擦系數(shù)。而鈦合金的切屑變形系數(shù)遠(yuǎn)比其他金屬材料小，因而鈦合金切屑沿前刀面的摩擦速度高，結(jié)果是摩擦功大，摩擦界面溫度高，切削熱集中在刀刃上，易粘結(jié)，刀具易磨損、壽命低。
鈦和鈦合金在高溫時化學(xué)活性高，能與空氣中的氫、氧和氮起化學(xué)反應(yīng)，形成脆性層，降低塑形，并且切屑與前刀面的接觸長度減小，刀具磨損加劇。
彈性模量小。鈦合金的彈性模量約為鋼的一半，切削加工時產(chǎn)生更大的變形，且變形后易彈回，使切削時刀具的實際后角減小，則后刀面與零件的摩擦將增大。 ……（未完，全文共6807字，當(dāng)前僅顯示2390字，請閱讀下面提示信息。收藏《論文開題：基于數(shù)值仿真的車刀幾何角度設(shè)計方法研究》）