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1、第1章 绪论1.1 课题背景机械制造业是一个国家综合实力的重要标志，同时也是社会发展和国防建设的技术基础。随着生产的发展，当今世界制造业逐步向着高效能、高精度和绿色化发展，但影响着机械制造业发展的主要因素还是效率问题，因此高效切削加工技术将成为未来机械制造业的发展主流1。高效率切削加工技术主要包括高速切削、大切深、大进给、干（准干）切削和复合切削等，当然提高加工效率提高切削速度是必不可少的。目前，钢铁和铝合金等材料已经广泛使用了高效切削加工技术，如表1.1所示。表1.1 高效切削加工技术的应用2材料切削速度m/min铝合金2000-5000（最高7500）铸铁800-1500（最高2200）钢
2、350-700高速切削加工具有可以提高生产效率、表面质量和改善加工精度等优点3，同时还可以降低加工生产的成本，有时还可以省略后续加工工序，因此高速切削已经在航空航天、模具和汽车等行业得到广泛应用。高速切削加工的特点主要包括：进给量随着切削速度的增加而相应的提高，这样做的效果是，材料在单位时间内的切除效率增加了。加工时由于切屑会快速的被排出而带走大量的切削热，使得切削热来不急传到工件，有助于提高工件的加工精度。切削力将随着切削速度的提高而降低，切削力降低的同时可以减小加工工件时所产生的振动。然而，高速切削加工技术在加工一些材料的时候还是有很多问题需要解决的，例如：难加工材料钛合金，应用高速切削加
3、工技术来加工钛合金时主要存在的问题就是切削温度和刀具磨损，表面完整性的研究和切削机理的研究等，都需要进一步的发展和完善，使得高速切削技术能够的到进一步的发挥。从20世纪中期以来，随着化工、造船、冶金、医疗和航天航空技术发展的迫切需要，钛合金由于其具有比强度高、耐热性好和良好的耐腐蚀性等优点而被广泛应用4，钛工业的到了迅猛的发展。对钛合金需求量增加同时也对加工钛合金的效率有了更高的要求，而钛合金由于其硬度大、强度高、摩擦系数大、弹性模量低和高温下化学活性高等特点使钛合金成为了难加工材料之一。现阶段钛合金的加工方面，在国内由于受到刀具性能的影响和缺乏加工钛合金的基础理论支持，车削钛合金的切深速度在
4、40-70m/min，铣削30-50m/min，在国外加工钛合金的速度可以达到100-200m/min。因此虽然钛合金在航天航天工业以及其它工业都有广泛的应用前景，但仍然受到了加工效率的制约3。1.2 钛合金简介1.2.1钛合金的分类及应用钛属于同素异构体，根据钛在不同温度下的结构不同可以把钛分为、和+钛。通过添加一些适当的合金元素，在结合一下钛合金的结构特点，让其相变温度和相分含量得到改变，这样就可以得到不同组织的钛合金。 相钛合金相钛合金是由相固溶体组成的单相合金，主要向加入稳定元素，例如Al、Ca和Ge等和O、C稳定的间隙性元素。钛合金的优点是组织稳定、抗氧化性好、焊接性能好、耐腐蚀性和
5、切削加工性好，但钛合金的缺点也是很明显的，塑性低冲压性能差。钛合金的牌号用TA表示，最常见的是TA7，一般可用作飞机蒙皮、骨架零件和叶片等5,6。 相钛合金和相钛合金相似，是由相固溶体组成的单相合金，加入的稳定元素V、Mo和Nb等。型钛合金具有较高的强度，缺点是热稳定差，一般不适合在高温下使用。型钛合金的牌号用TB表示，主要应用于压气机叶片、轴类和飞机构件等。 +相钛合金+型钛合金是一种双相合金，包含了和两项的稳定元素。因此+型钛合金的综合性能非常的好，组织稳定、韧性和塑性好，高温下强度高，还具有低温韧性良好和良好的抗腐蚀能力。+型钛合金被广泛应用于航空航天、造船、化工和医疗等工业上，可以用来
6、制造飞机发动机、飞机结构件、起落支架和导弹发动机外壳等。+型钛合金的牌号用TC表示，常见的有TC1、TC4等。钛合金在航空航天方面的应用主要是在涡轮盘、叶片一级喷气发动机，同时也被用来制造成转向梁、机身后段，并代替铝用于制造飞机的蒙皮。如表1.2所示为国外的以往和当前战斗机中使用的材料对比，从表中可以看出钛合金在近些年的使用量在逐步增加，而铝的使用量在减少，美国拥有“全钛飞机”高空侦察机SR-71中钛合金的使用量达到了重质量的93%。这主要是是由于钛合金的优良性能。当然钛合金的应用不止于航空航天上，在其它军事方面、航海和精密机械方面也很受欢迎。例如：导弹壳体、火箭壳体和装甲车上的防护装甲等，航
7、海中可用于泵、阀门以及推进器等需要在腐蚀环境中进行工作的零件。表1.2 美国战斗机中材料质量分数/%7所用材料CY-27F-14F-15F-117F22铝合金6039362011钛合金1724272541钢1017655复合材料-1210251.2.2 钛合金的特性与加工性工件材料的加工性是指，加工该材料时是否容易加工，加工时的难易程度是否很高。衡量一个材料是否是难加工材料可以从其断屑情况、加工时刀具耐用度、加工后的表面质量以及切削力和切削效率等来判断。由于钛合金具有很高的强度，但密度却是钢的60%左右，所以钛合金具有很高的比强度。钛合金在常温下（20）的比强度为230MPacm3/g，结构钢
8、为140MPacm3/g、铝合金为155MPacm3/g和镁合金150MPacm3/g，从这里面可以看出来钛合金和其它金属材料相比在强度方面有很大的优势8。由于钛合金的这个性质，可以保证使用钛合金的时候既保证了强度够的情况下又能减轻了这个结构的重量，因此这一个性质对于航空航天和造船工业都有重要意义。钛合金的其它主要物理性质如表1.2所示，除此之外钛合金无论是在高温还是低温下都具有良好的性能，在高温下钛合金可以保持良好的机械性能；在低温下钛合金的强度要比常温时候的强度有所增加，同时还具有良好的韧性。由于钛合金对氧具有极大的亲和力，可以在含氧的环境下产生坚固的氧化物保护膜，因此钛合金还具有良好的耐
9、腐蚀性。由于钛合金有如上述的这些特性使得在加工钛合金时与加工其它材料有很大的不同，首先在设备上，因为钛合金的强度高、硬度大，所以加工钛合金的设备功率要大、刀具应具有较高的强度和硬度，加工钛合金时刀具切削刃所承受的应力要远大于加工45号钢时的应力，因此加工钛合金时刀具的刀尖或者是切削刃更容易磨损。另外由于钛合金具有摩擦系数大，但导热系数又低，导致了加工钛合金时切削热积聚在切削刃附近的很小的面积上不容易散发，这就使得加工钛合金时的切削温度非常高，加速了刀具磨损进而影响了加工质量。最后由于钛合金的弹性模量低、高温下化学活性高等特点导致加工钛合金时工件回弹大，在加工过程中容易和空气中的氧、氢等气体发生
10、化学反应，产生硬化层，这些都将进一步的加剧了刀具的磨损9,10。表1.2 钛合金物理性质表11,12材料名称物理性能比热J/kg熔点硬度HB弹性模量105MPa密度g/cm3线膨胀系数10-6/导热系数W/m钛金金545-5861720200-2951.0784.5078.58.79-12.98如上所述，钛合金在具有优良的物理力学性能的同时受到了加工效率与加工成本等条件的制约，这些都是导致现在加工钛合金效率低的重要原因。因此，提高钛合金的加工效率和加工质量将是我们研究的重要内容。1.3 钛合金研究现状钛合金虽然是难加工材料，但由于其优良的特性，在航空航天、造船、化工和医疗等工业的广泛的，因此国
11、内外的众多学者对于加工钛合金方面做出了多方面的研究。例如，加工钛合金时的切削力、切削温度、表面完整性和刀具磨损特性等方面，而实验方法方面主要还是车削和铣削两种方式。1.3.1切削力和切削温度的研究切削力和切削温度是切削加工过程中两个重要的现象，切削力直接决定着切削热得产生，并影响刀具磨损、破损、使用寿命、加工精度等。切削热和切屑温度是车削过程中除切削力外又一重要现象，切屑热和切屑温度不仅对工件的加工精度和表面质量有重要影响，还直接影响到刀具的寿命和刀具的磨损状况。因此切屑热和切屑温度也是众多学者主要研究的对象之一，因此研究切削钛合金过程中切削力和切削温度是非常必要的。对切削温度方面的研究，主要
12、分为试验法和解析法，解析法就是通过建立解析模型来研究切削温度。Norihiko Narutaki做的高速切削钛合金实验13，分别使了车削和铣削两种加工方法对切削钛合金时切削力和切削温度做了详细的研究。实验表明：在车削方面，实验的切削速度选择为20-200m/min范围内变化，在切削力方面，结果表明切削力的大小随着切削速度的增加而变化微弱，并且与同样条件下车削45号钢做了对比，这一结果也证明了加工钛合金过程中刀具的磨损并不是由切削力所导致的，在切削温度方面，结果表明随着切削速度的增加切削温度剧增，因此可以知道车削钛合金时切削温度是刀具刀具磨损严重的主要原因。在铣削方面，选择的铣削速度为157-4
13、00m/min的范围内，铣刀直径为2mm，结果表明铣削钛合金时的温度相对较低。R.Komanduri等人研究刀具前角、刃倾角和切削速度的变化对切削力的影响，并通过使用三维仿真建立了切削过程14。Haci Saglam等15采用不同的刀具前角（0、6、12、20），研究了不同的刀具角度对切屑力和切削温度的影响。A.Gente研究了当切削速度达到150-960m/min时，切削力与切削速度的关系16。E.O.Ezugwu等17人研究了在高压冷却条件下使用CBN刀具切削钛合金时的切削力变化规律，实验结果表明，由于钛合金的弹性模量小，在小切深时切削力将会产生波动，随着切深的增加切削力急剧增加。同时E.
14、O.Ezugwu还发现了当切削速度比较低的时候，冷却液能够起到很好的效果，使得切削区的切削温度相对较低，此时的冷却液具有润滑和减小摩擦系数，可以降低切削力。但在切削速度较高时由于冷却液无法进入刀具工作接触区使得效果不明显。国内的众多学者对切削钛合金的机理研究也取得了一定的成果，例如李登万18等人在常温采用干切削和-50低温冷风条件下研究了切削钛合金时切削力的变化规律，总结建立了切削力的指数形式公式。在切削力方面低温冷风的主切削力较大，但其表面质量要好于常温干切削。山东大学的李甜甜做的PCBN高效切削钛合金实验19，实验采用单因素试验和正交试验研究了高速切削时切削钛合金的切削力和表面质量的变化规
15、律。南京航空航天大学的耿国盛8做的钛合金高速铣削技术的基础研究，对高速铣削钛合金是切削力、切削温度表面完整性和刀具磨损机理做了研究和总结。山东大学的田刚对高速切削钛合金过程中的切削力进行了研究20，实验采用的是正交实验，分别讨论了切削深度、切削速度和进给量对切削力影响。试验结果表明对切削力影响最大的是轴向切削深度，其次是径向切削深度，最小的是切削速度。大连理工大学的曲迪做的PCD刀具加工钛合金实验研究21，研究了切削钛合金过程中的静、动态切削力的影响规律和利用正交实验研究了影响表面粗糙度的原因。满忠雷等人对高速切削钛合金时的切削力做了研究22，分别在干切削、空气和氮气油雾情况下，径向和轴向切深
16、一级铣削速度对切削力的影响。苏州大学的解鹏和苏桂生做的TC4车削力的仿真与试验23，使用了DEFORM有限元分析软件对车削钛合金过程中的切削力做了研究。王小琴等人使用两种不同的硬质合金刀具来研究了切削钛合金时的切削力变化24，试验中引用了切削路程这个概念，并指出其它切削用量不变的清苦下，切削力随着切削路程的增加而变大。李亮等人对铣削钛合金过程中的温度进行了研究25，试验的切削速度选择为100-800m/min，主要测量了刀刃温度与工件表面温度的变化，通过切削力和温度信号之间的对比，得出了铣削钛合金过程中切削温度的峰值要滞后于切削力的峰值。W.Gzesik等人涂层刀具接触区的切削温度26，研究中
17、使用了解析、试验及数值等方法。G.Sutter等人利用了CCD照相机的方法测量了直角切削刀具切削过程中的切削温度27。江苏理工大学的宋昌才和刘苏做的多元多层复合涂层刀具切削温度的测量28，试验使用的是自然热电偶法，采用不疼的冷却条件，对切削过程中的切削温度进行了测量，实验结果表明在选择了正确的切削液的情况下，相同的切削参数的时候切削速度提高的同时切削温度和切削力都将减少，使刀具的寿命延长。刘胜等人切削钛合金时的温度场合切削力做了仿真研究29，实验通过使用ABAQUS有限元软件对切削钛合金过程做了模拟仿真，实验结果表明；切削温度随着切削速度和背吃刀量的增加而增大。舒畅等人研究了不同切削参数、冷却
18、方式以及刀具磨损情况对切削钛合金时温度的影响30，实验结果表明：切削速度对切削温度的影响最大，使用冷却的方式可以降低切削温度，刀具磨损的初期切削温度显著增加，磨损后期增加的不是很明显。1.3.2刀具磨损与刀具寿命方面的研究刀具寿命是众多学者研究切削加工过程另一个非常重要的领域，如果能够准确的研究出刀具的使用寿命可以有效避免切削加工过程中因为刀具破损所造成的损失，同时也可以提高使用效率并减低成本。刀具的磨损与刀具和工件的化学性质、切削参数的选择和刀具与工件的物理性质等都有密不可分的关系，因此研究刀具磨损时主要针对这几个方面展开的。对于刀具磨损和刀具寿命方面，也做了很多研究。M.Nouari等人使
19、用硬质合金刀具在干切削的条件下31，分别使用了涂层和未涂层的硬质合金刀具端铣钛合金，对刀具的磨损机理和刀具的寿命进行了研究和分析，结果表明切削钛合金时刀具的磨损形式主要是工件在高温下与刀具粘结、撕裂引起的机械磨损，而且还会有脆性断裂等现象。秦龙等人使用了两种不同的硬质合金刀具与PCD刀具对比32，研究切削钛合金时刀具的磨削特性，实验结果表明PCD刀具在高速下使用寿命明显高于硬质合金刀具。杨雷等人对切削钛合金时刀具磨损做了详细的研究33，试验分别使用了干切削、静电、MQL（微量润滑加工，也被称作“喷雾加工”或“半干式加工”）、低温MQL和冷风等试验方法，结果表明：静电、MQL、低温MQL和断开热
20、电回路对抑制刀具磨损有良好的效果。Farhad Nabhani分别使用了涂层和未涂层硬质合金刀具与PCBN刀具进行对比试压34，结果表明这三种刀具在切削钛合金时，PCBN刀具的刀具磨损率较低，同时其加工的表面质量更好。王小琴等人在研究切削钛合金过程中刀具磨损情况24，结果显示在干切削的状态下，刀具磨损比较严重，建议适当使用冷却方式，并选用较小的主偏角对提高刀具寿命有明显帮助。E.O Ezugwu等人在研究刀具磨损的时候发现使用CBN刀具切削钛合金时17，刀具磨损主要是沟槽磨损、切削刃崩刃和高的扩散磨损率。任开强等人做的高强度钛合金高速铣削研究35，实验结果表明切削钛合金时刀具主要是后刀面有较大
21、的磨损现象，而前刀面磨损很小。S.K.Bhaumik使用WBN-CBN复合刀具和硬质合金刀具进行对比36，研究两种刀具切削钛合金时的磨损机理。结果表明，硬质合金刀具的磨损形式主要是刀尖变形以及其前刀面的月牙洼磨损。李甜甜等人通过使用PCBN刀具高速切削钛合金19，实验中分别使用了涂层硬质合金刀具和未涂层硬质合金刀具与PCBN刀具做了对比，结果表明选择高的切削速度，并且进给量和背吃刀量较低的情况下PCBN刀具的使用寿命要高于另外两种刀具，刀具前刀面的磨损主要是由于切削热引起的，同时指出在使用PCBN刀具切削钛合金是前刀面没有出现月牙洼。Z.G.Wang研究的高速切削钛合金37，使用的刀具是BCB
22、N，结果表明切削钛合金是选择高速、低进给量的情况下刀具的寿命要长。史德峰等人对车削置氢钛合金TC4做了研究，使用了ABAQUS和Python软件模拟分析车削钛合金时的刀具磨损情况，Norihiko Narutaki通过研究高速切削钛合金的实验得出13，车削钛合金时影响刀具寿命的是切削温度而非切削力。上海航天精密机械研究所的陆丰玮对车削TC4钛合金的刀具磨损做了研究，结果表明刀具的磨损主要是崩刃、粘结、扩散和氧化磨损，并且提出了像刀具的刀尖加切削液的方法，此方法可以有效延长刀具寿命。1.3.3 表面质量的研究 工件材料在经过加工后，其表层的物理性能和微观几何形状将会发生变化，工件的表面质量是评价
23、零件被加工后表面状态完整性好坏的标准。表层物理性能主要是指残余应力、表层金相组织和加工硬化，微观几何特征主要包括两个方面，一个是表面粗糙度，另一个是表面波度，其中通过研究表面粗糙度可以得到刀具在切削过程中的状态，同时工件也可以根据工件材料的表面粗糙度来判断刀具的寿命，因此研究工件表面质量主要是研究其表面粗糙度。表面粗糙度主要是指工件经过加工后其表面较小距离与微小峰谷之间不平度的微观几何形状和尺寸，表面粗糙度的形成主要是由于加工过程中刀具与其表面间的摩擦、刀具切削时留下的刀痕和振动等导致的，因此影响工件的表面粗糙度可以总结为刀具材料、工件性质、切削参数等。A.L.Mantle等人研究了高速铣削钛
24、合金时的表面完整性38，通过观察铣削钛合金过程中刀具的磨损情况、切削条件以及切削用量等，总结研究影响表面完整性的因素，提出选择合理的切削用量可以减少铣削钛合金时表面的缺陷。李甜甜等人通过研究表明19，进给量对工件的表面粗糙度影响较大，而且当背吃刀量和进给量一定的情况下，增加切削速度的时候，工件的表面粗糙度变小。李登万等人使用了常温干式车削方法与低温冷风车削方法18，总结建立了钛合金在低温冷风和干式车削情况下的粗糙度经验公式，对表面粗糙度影响最大的是进给量，切削速度影响最小，在相同的切削参数下低温冷风比常温干切削情况下更能获得较好的表面粗糙度。A.R.C.Shaman等人研究了精车钛合金时其表面
25、完整性39，通过选择不同的切削速度对比研究其对表面完整性的影响，指出在较高的切削速度下可以提高表面的质量。杨雷等人使用了多种方法对切削钛合金时表面粗糙度做了详细的研究33，钛合金圆盘的表面粗糙度随着切削速度的增加而减小，干摩擦和冷风条件下的粗糙度值比较大，MQL、低温MQL和静电条件下的表面粗糙度较好。W.Bouzid Sai 也对铣削钛合金做了研究40，而其研究结果表明，切削速度在160-440m/min范围内，随着切削速度的增加，工件的表面粗糙度将下降。田刚等人研究了铣削钛合金时其表面粗糙度的状况20，实验采用了正交试验方法，分别研究了轴向和径向切削深度、进给量和切削速度对表面粗糙度的影响
26、，实验结果表明，对表面粗糙度影响最大的是轴向切削深度，最小的是切削速度。耿国盛等人分别使用了SECO机夹型硬质合金刀具和整体硬质合金铣刀来研究钛合金的表面粗糙度实验8，试验分别使用了端铣和恻铣两种方法，并且使用的是干切削。实验结果表明，表面粗糙度随着铣削用量和其它加工方式的改变而变化的量很小，证明了钛合金TA15具有很好的铣削加工性能。1.3.3 有限元技术在切削方面的应用 20世纪50年代中期，以计算机为主的模拟仿真技术迅速发展了起来。模拟就是指通过观察一些现象和过程的原形，进行分析研究建立与该现象和过程相似的模型，所建模型的主要优点在于方便人们进行观测和控制，进而把问题转化成研究该模型在各
27、个条件下的影响，通过分析产生的结果对远模型进行相应的推测，得到原模型的变化规律的过程。模拟包括物理模拟和数值模拟两种方法，物理模拟是指采用试验的方法，建立物理模型来模拟塑性成形过程。数值模拟是指使用一组数学方程与定解条件把实际过程抽象成理论模型，并使用计算机求解该模型，通过改变不同条件求解其数值，并推出在相应条件下实际过程。金属的塑性成形数值模拟里的有限元法分为：固体型塑性有限元法；流动塑性有限元法。其中固体型塑性有限元法，包含大变形弹塑性有限元法与小变形弹塑性有限元法。流动型塑性有限元法主要包括刚粘塑性有限元法与刚塑性有限元法。仿真分析主要是指用模型来模仿实际加工过程，代替以往的实际系统的实
28、验与研究。仿真技术的关键在于仿真模型的建立，只有建立合理的切削加工过程模型，才能准确的反应了实际的切削加工过程，使仿真出来的结果与实际加工过程相符合。在实际生产加工之前，对该加工过程进行切削仿真，能够有效避免由于实际加工过程时出现的各种突发现象引起的不必要的麻烦，可以提高切削加工的安全性与经济性。在切削加工中有限元技术主要应用在材料的加工过程仿真、切屑的形成、切削力的变换情况、切削区的温度分布、刀具磨损以及不同切削条件对加工过程的影响等。R.Komanduri等人研究在微加工中刀具角度对切屑过程的影响41，试验材料使用的是单质铝，对切屑力方面的研究方法是：选择了不同的刀具前角、刃倾角和切削速度
29、。王怀峰等人使用了有限元分析软件AdvantEdge FEM对切削钛合金过程进行了仿真分析42，实验研究了刀具和工件的温度分布，以及切削速度对切削温度影响的规律，指出低速情况下切削温度随着切削速度的增加而剧增，随着切削速度的继续增加切削温度有所降低。林琪等人也使用了AdvantEdge软件对切削钛合金做了仿真研究42，实验使用单因素法，分别研究了硬质合金刀具的螺旋角、刀具齿数以及径向前角对铣削力和切削温度的影响，试验中螺旋角分别为303545。实验结果表明：对切削温度影响最大的是刀具齿数，径向角对其影响最小。1.4 仍存在的问题目前国内外对钛合金的研究成果主要集中在本构方程、刀具磨损机理，钛合
30、金的表面粗糙度等方面，但关于高速切削原理和高速切削过程中的切削力和切削温度现象的研究仍有许多不清楚的地方。对钛合金的高速切削方面的研究，因起步较晚等原因导致研究不够充分，进而限制了钛合金的生产效率。此外，对切削钛合金过程中的切削温度、刀具寿命，切削力和刀具磨削等方面取得了可喜的研究成果，虽然有了一定成果但其中还有很多不足。主要表现在:1.众多学者对切削力和切削温度都做了研究，但有一部分的试验得出的结果却往往不同，而且对试验的结果没有做出明确的解释与分析。2.在常规速度下车削钛合金时的刀具磨损情况的研究已经有了不少研究，并取得了一定的成果，但在高速车削钛合金时，对其刀具磨损与磨损机理的研究不是很
31、充分。3.对切削钛合金时的切削力、切削温度、刀具磨损形态以及其磨损机理的解析模型很少。4.关于加工钛合金是所使用的材料方面，国内和国外的企业大多采用的是硬质合金刀具，而使用CBN刀具的很少，因此对CBN刀具切削钛合金的研究也很少。5.车削钛合金时的背吃刀量方面的选择都是在很小的范围内，关于大切身的研究很少。1.5 本课题研究的主要内容及方法本文主要研究了准高速（最高达到120m/min），大切深（最高3mm）条件下车削钛合金的机理。研究车削过程中加工切削速度、进给量和背吃刀量对切削力和表面粗糙度的影响，以及车削钛合金时的表面粗糙度以及刀具的摩擦磨损特性，对实际加工钛合金时选择合理的刀具材料及切
32、削参数优化等提供理论依据。对切削力的研究方面本课题主要从两方面来研究，一种是使用DEFORM-3D软件，建立整体CBN刀具切削钛合金时的三维车削模型，模拟分析CBN刀具切削钛合金的过程，通过改变切削速度、背吃刀量和进给量观察对切削力和切削温度的影响，绘出切削力和切削温度变化曲线图，并对结果进行分析。进行模拟仿真的同时，将对车削钛合金做试验研究，试验方法使用的是单因素法，试验中考虑到刀具等因素的影响，本实验选择的是每切一刀都将换一个刀具，这样保证了试验结果的准确性。关于刀具磨损和刀具磨损量方面的研究，主要是采用试验的方法，研究整体CBN刀具在准高速大切身情况下研究对刀具寿命影响的因素。试验分别使
33、用了涂层硬质合金刀具和整体CBN刀具进行对比试验，研究了车削钛合金时两种刀具磨损形态，通过改变切削参数研究不同切削参数对刀具磨损量的影响。最后将会把试验结果与仿真结果进行对比分析，观察试验与仿真之间的不同点与相同点，并对不同点进行分析研究。第二章 整体CBN刀具切削钛合金的仿真和分析2.1 引言金属的加工过程是非常复杂的，基于经验和试验的方法来分析其过程是十分困难的。随着有限元数值模拟即仿真技术的快速发展和广泛应用，对金属的加工过程进行分析将不再困难。使用有限元模拟技术对金属加工过程进行预测、控制和优化，可提高经济效益、保证产品的质量和缩短加工周期。所谓的弹性变形和塑性变形是指在加工工件过程中
34、，工件在外力作用下会产生变形，而当外力消失后工件的变形能完全恢复至原来状态，并且工件的形状、尺寸和组织性能等都没有发生变化，这种变形被叫做弹性变形。与弹性变形相反塑性变形是指外力消失后工件的形状不能完全恢复到原来的状态并且产生了永久的残余变形。人们在很早以前就利用金属的塑性特性来加工金属材料，但金属塑性成形理论的起步还是比较晚的，最早是由法国工程师屈雷斯加在1864年提出的切应力屈服准则，被称为屈雷斯加屈服准则；之后在1870年，圣维南研究得出了应力-应变速率方程，也叫做塑性流动方程；在其后的一年里，列维有提出了应力-应变的增量关系；之后在1913年，一个新的屈服准则-米塞斯屈服准则由米塞斯从
35、数学的角度做出的研究成果；直到1930年由劳斯提出的弹性应变增量应力-应变关系这一观点的出现，标志着塑性理论的基础形成了43。塑性理论形成之后就逐渐的被人们应用到求解各种塑性成形问题，德国学者卡尔曼是最早将塑性成形理论应用到金属材料加工中的，此后人们开始对塑性成形过程中的应变、应力和变形力等的求解逐渐增多，比如工程继续案发、上限分析法、移线法、网格法等。随着社会和经济的发展，计算机技术的出现和应用，使得计算机技术与塑性有限元法结合起来使用，这样使得以前很多塑性成形技术里面的一些难题都得到了解决，塑性成形理论因此得到了突破性的发展。利用计算机进行模拟分析的优点是可以快速获得精确的结果，提高了运算
36、效率。目前，使用塑性成形有限元法记性数值模拟分析，可以直观的描述塑性成形过程中的金属流动状态，除此之外还可以客观地反映塑性变形区的应变、应力和温度的分布情况，对模具结构设计和优化、产品的优化和工艺制定等提供了依据。本文利用DEFORM-3D有限元分析软件对整体CBN刀具车削钛合金进行了三维仿真，采用单因素试验法模拟分析CBN刀具车削钛合金时切削速度、背吃刀量和进给量对切削力和切削温度的影响。找出并分析三者中那个因素对切削力和切削文的的影响最大，那个对其影响最小。立方氮化硼晶体（CBN）是由美国通用电气公司在1957年研制出来的，由于立方氮化硼具有超硬性、高化学惰性和高热稳定性，所以当时引起加工
37、技术界的普遍关注。而把CBN应用到切削刀具上时从上世纪60年代中后期开始的，并在70年代得到了发展。我国最早的CBN刀具是由成都工具研究所于1973年研制成功的，现在国内已经有多家工厂能生产CBN刀具。2.2 CBN刀具性能和特点CBN刀具的刀坯可以由单晶体在高温高压下聚晶制成，或者以CBN及密排立方氮化硼WBN为原料用爆炸法制取，CBN刀具的结构一般采用机械夹固式。CBN具有高硬度、高耐磨性、热稳定性好、化学惰性大、导热性能好和较低的摩擦系数等特点。CBN的硬度仅次于金刚石，但热稳定性和化学惰性优于金刚石，两者的性能比较见表1。从下表1中可以看出，CBN的硬度为8000-9000HV，接近金
38、刚石的10000HV，氮化硅陶瓷的硬度为5000HV，由此可以看出在硬度方面CBN是氮化硅陶瓷高出近1倍，这个特点使得CBN的耐磨性比硬质合金和陶瓷都高的多，因此可延长刀具寿命。在热稳定性方面CBN明显要好于金刚石，这保证了CBN能在高温作业下仍能保持足够的强度和硬度。另外CBN的结构稳定，与别的材料亲和性小，在高温下（100-1300）仍不与铁元素发生化学反映，因此使用CBN加工材料时不易发生粘结磨损与扩散磨损。表1 金刚石和CBN性能对比43,44 材 料性 质比重g/cm3硬度HV热稳定性导热系数W/mK线膨胀系数与铁元素化学惰性金刚石3.5210000700-8000.340.9-1.
39、45小CBN3.48800016000.102.1-2.3大2.3 CBN的发展史和研究现状CBN最早是在1957年由Wentorf通过使用镁做媒介合成出来的,并且在1964年由美国G.E.公司以Borason为商品名推向市场。同期国外的一些国家在合成CBN方面也取得了很大进展，例如前俄罗斯在1960由其高压物理研究所制成了CBN，而在同一年日本的三菱公司和东名金刚石制作所也都成功的研制出了CBN45。我国对CBN的研究虽然起步并不晚，但在发展方面比国外还要慢一些。我国是在1966年首次合成CBN的，并且在70年代投入到市场开始进行使用的。上世纪90年代以前我国都是以镁作为原料来合成CBN的，
40、缺点主要是晶体强度低、颜色黑，产品品种少。90年代后我国对CBN的研究有了很大进步，无论是在原料方面还是在品种方面都有了很大的进步。随着经济和科技的发展，立方氮化硼的应用的领域和范围将会更一步的扩展，因此对立方氮化硼的研究需要不断的深入，这也将推动我国对立方氮化硼的研究，使之进入一个全新的发展阶段2.4 DEFORM-3D简介及其特点DEFORM-3D是在20世纪70年代后期，由美国加州加利福尼亚大学的小林研究室开发研究出来的，并由其研究员独立成立的公司SFTC推向了市场，命名为DEFORM-3D。DEFORM-3D以拉格朗日定理为理论基础，属于刚塑性的有限元法。DEFORM-3D中包括的材料
41、类型有塑性材料模型、刚性材料模型、弹性材料模型和多孔材料模型。REFORM-3D软件是一款面向工程、与CAD软件无缝连接、面向用户的有限元分析软件46。通过使用DEFORM-3D可以在计算机上模拟整个金属加工过程，可以帮助工作人员进行设计工具和产品的工艺流程，使用DEFORM-3D软件还可以减少昂贵的现场做实验的成本，进而降低生产和材料的成本，缩短了研究开发的周期。DEFORM提供诸多接口（CAE、IGES、STL、CAD和IDEAS等），使用户可以很方便的导入试验的模型，同时DEROFM的材料库中收录了230多种材料的各项数据，包括弹性和塑性变形数据、热能和热交换数据、材料硬化数据和破坏数据
42、等。前处理可以自动生成边界条件，这样可以确保数据准备快速可靠。具有FLOWNET和点迹示踪、矢量图、力-行程曲线图等后处理功能。后处理中具有镜面反射功能，可以为用户提供高效处理具有对称面或周期对称面的作用，可以在后处理中显示整个模型。2.5 DEROFM-3D车削仿真的基本步骤从下面的图2.1中可以看出应用DEFORM-3D软件进行模拟分析的步骤是由前处理器、求解器和后处理三个部分组成的。其中在前处理中包括了数据输入模块、网格自动划分与自动再划分模块和数据传递模块。在数据出入模块中进行初始速度、温度场、边界条件及摩擦系数等初始条件。数据传递模块的主要功能是当网格从划分后，使之能够在新旧网格之间
43、实现应力、应变和边界条件等数据的传递，进而保证计算的连续性。后处理器的作用是对有限元计算所产生的大量数据进行解释，并显示计算的结果。在后处理器中分析产生的结果可以是图形的形式或者是数字和文字混编的形式，还可以根据需要使用列点进行跟踪，对一些特殊的点进行轨迹、应力、应变和破坏程度进行跟踪观察并提取数据。材料和工艺数据库图形系统前置处理 离散模型收敛准则FEM求解器 数据结果图形系统后置处理 输出结果 图2.1 图形过程仿真流程462.6 前处理如图2.2所示，DEFORM-3D为了方便用户的使用提供了专门的模拟切削和钻削的，Machiningcutting模块中分别使用了进给量、切削速度和背吃刀
44、量三个主要参数来控制切削加工的过程的，如图2.3所示。根据实验要求选择合适的加工参数、刀具材料、刀具模型、工件材料等。本文的参数设置分别为：切削速度60、65、70、80m/min，进给量分别为0.2、0.3、0.35、0.4mm/rev, 背吃刀量分别为2、3、3.5、4mm。切削加工 图2.2 前处理 图2.3 切削参数设定2.6.1 网格的划分在网格划分方面划分的单元数不能太少，划分之后的工件不能有变形，如果发生变形，则不能正确的反应模型的形状和模拟效果。当然网格也不能划分的太多了，如果网格划分的较多那么需要计算和模拟的时间就越长，影响模拟的速度。因此网格的划分要合适，在能准确的反应出模
45、拟效果的前提下，网格一般都尽可能的少。在DEFORM软件中一共提供了两种网格划分方式，如图2.4所示，分别是相对网格划分和绝对网格划分。所谓相对网格划分就是用户指定单元数量，划分的网格数量是恒定的，而绝对网格划分是需要指定最小单元大小及单元尺寸比率，网格的数量是根据几何模型形状复杂程度决定的，形状越复杂的那么网格的数量也就越多，用户可以根据自己的实际情况选择合适的网格划分方式。 本文选用的相对网格划分方法，具体操作是单机 按钮可以进行预览刀具或材料的网格划分情况，如果网格划分的不理想那么可以继续增加或减少其网格数量直到达到要求为止，本例最终选择的刀具网格划分数量是45000个。 图2.4 网格
46、划分 图2.5 材料模型如图2.5所示，建立材料模型由于本例选择的是切削模型，DEFORM软件提供的模型有圆柱形和长方形两种。本例选择的是圆柱形的柱料，半径是50CM，弧度为20。网格划分也是选择的相对网格划分，划分35000个网格。2.6.2 工件本构模型工件在处于弹性变形时的特性参数，分别为弹性模量E和泊松比。而进入塑性应变后，则需要通过流动应力模型考虑这些因素对材料的影响。在DEFORM软件中选取材料的本构方程为切削加工中最常用的流动应力模型Johnson-Cook模型47，其形式为： 其中为流动应力；A、B、C、n、m为材料的特性常数， 为变形温度；为室温；为材料的熔点。本文采用的是新的适合切削过程有限元分析的钛合金流动应力模型为：CBN刀具和钛合金其它物理参数的设置按表2所示的数据进行设定。表2 CBN刀具和钛合金的物理性质表43,44材料杨氏弹性模量（GPa）泊松比 热扩散系数（m2/s）热传导率（W/m.k）热容量（J/kg.k）钛合金1140.349.610-65.44520CBN刀具7200.114.310-61406702.6.3 关于切削的分离准则的设置与其它的加工方法不同，车削加工是一个使工件材料不断产生分离的加工过程。选择一个合理的分离准则可以准确的反应出工件材料的力学和物理性质等，使得切削的几何形状、切削温度和切削力等仿真结